Universität Bielefeld,
Institut für die Simulation komplexer Systeme
Schwerpunkte der Forschung
In den verschiedensten Bereichen der Forschung werden heute
Simulations-Methoden zur Untersuchung komplexer Systeme, die
wegen ihrer komplizierten Wechselwirkungen auf unterschiedlichen Skalen
mit üblichen analytischen Methoden nicht beschreibbar sind, eingesetzt.
Dabei reichen die Fragestellungen von den nun schon klassischen
Problemen der Dynamik
und Phasenstruktur von Vielteilchensystemen bis hin zu heute sehr
aktuellen Problemen wie dem kritischen Verhalten von fluktuierenden
Membranen, Spingläsern, chaotischen und selbstorganisierten Systemen
oder auch neuronalen Netzen. Das Aufkommen dieser neuen Fragestellungen
aus neuen Fachrichtungen ist eng gekoppelt an den rapiden Fortschritt in
der Computertechnologie. Probleme, die früher als unlösbar galten,
können heute numerisch untersucht werden.
Die klassischen Simulationstechniken (Monte-Carlo Algorithmen,
Molekulardynamik, Finite-Elemente Methoden) finden sich heute in vielen
kommerziellen Programmpaketen und werden industriell genutzt
(Aero- und Hydrodynamik, Meteorologie, Erdbebenforschung, u.v.m.).
Die Weiterentwicklung dieser Methoden profitiert stark von Entwicklungen in
benachbarten naturwissenschaftlichen Disziplinen (Physik, Chemie, Mathematik)
und von neuartigen Fragestellungen anderer Fachrichtungen (Biologie,
Linguistik, Soziologie). Gleichzeitig eröffnen sich durch die
stetige Leistungssteigerung moderner Supercomputer
Fragestellungen einer numerischen Untersuchung, die früher als
unlösbar galten. Dabei erfordern die neuartigen, wenig standardisierten
Strukturen heutiger Supercomputer (massiv parallele Rechner) allerdings
häufig ein Umdenken bei der (Weiter)-Entwicklung von
Simulationstechniken -
neuartige Algorithmen können auf massiv parallelen Rechnern realisiert
werden; die üblichen vektoriellen Algorithmen sind nicht mehr
effizient. Dies erfordert in erhöhtem Masse eine Zusammenarbeit
unter den Nutzern von Supercomputern und eine starke Kollaboration bei
der Softwareentwicklung für neue Rechnerarchitekturen. Nur so kann
eine optimale Nutzung neuester Computertechnologie im oberen
Leistungsbereich erreicht werden.
Das ISKOS bietet die Möglichkeit, komplexe Fragestellungen mit modernsten
Supercomputern zu untersuchen und Kontakte zu anderen Fachdisziplinen
aufzubauen, in denen ähnlich geartete Probleme analysiert werden.
Ein Schwerpunkt der Forschung am ISKOS bildet derzeit die Simulation der
Dynamik und Thermodynamik von stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen, die
von der Computer-Simulations-Gruppe der Fakultät für Physik
untersucht werden.
Zusammenfassung der bisherigen Aktivitäten
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Das ISKOS ist für die Rechner von Typ
Quadrics verantwortlich, die zusammen eine Rechenleistung von mehr als
25 Gflops haben. Die eine Hälfte dieser Anlage wurde ursprünglich
von der DFG dem Schwerpunkt Dynamische Fermionen
zur Verfügung gestellt. Durch die Zusage des ISKOS, diese
Computer weiter zu betreiben, konnte die Anlage nach dem
Ende des Schwerpunktes im Sommer 1997 in Bielefeld
bleiben. Gruppen von anderen Universitäten, wie z.B.
Leipzig, Münster und Wuppertal führen auch weiterhin
Projekte durch. Darüber hinaus war es für die Ausbildung
von Diplomanden und Doktoranden ausserordentlich wichtig, diese Anlage in
Bielefeld behalten zu können.
Es ist eine der grössten für Forschungszwecke verwendeten
Rechneranlagen an einer deutschen Universität.
Ein HBFG-Antrag für einen Rechner der neuen Generation, mit einer
nominalen Leistung von 84 Gflops ist vom ISKOS beantragt worden,
und wurde nach positiver Begutachtung im März diesen Jahres
bewilligt.
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Es wurden zwei sogenannte PC-Farmen von Mitgliedern des ISKOS konzipiert und
in Betrieb genommen, eine davon im Rechenzentrum der Universität und eine
an der Fakultät für Physik.
Diese PC-Farmen sind ausserordentlich leistungsfähig im Verhältnis
zu den Kosten. Sie sind besonders geeignet für die Simulation
ungeordneter, komplexer Systeme, die nicht an Parallellrechner angepasst
werden können, aber sehr wichtig z. B. in der Biologie und der Physik
sind.
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Jedes Jahr wird ein einführendes, fakultätsübergreifendes
Blockpraktikum zum parallelen Rechnen durchgeführt, das
insbesondere von den Studenten der Physik und der
Naturwissentschaftlichen Informatik sehr gut angenommen
wird.
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Das ISKOS stellt seine Kompentenz all denjenigen
Gruppen der Universität Bielefeld zur Verfügung, die
rechenaufwendige Probleme auf sehr leistungsfähigen
Parallellrechnern, insbesondere vom Typ Quadrics, bearbeiten wollen.
Es gibt einen speziellen ISKOS-Raum (UHG, E5-124), in dem Workstations
und Terminals für Benutzer zur Verfügung stehen. Dort wird
auch z. T. das Computerpraktikum des ISKOS durchgeführt.
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Es werden regelmässig Kolloquien
veranstaltet, entweder von Mitgliedern verschiedener Fakultäten
der Universität oder von eingeladen Gästen anderer
Universitäten oder Forschungseinrichtungen sowohl aus
Deutschland als auch aus dem Ausland.
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Ein wichtiger Teil der Aktivitäten ist die
Zusammenarbeit mit anderen Einrichtungen ähnlicher Art,
insbesondere dem Paderborn Center for Parallel Computing,
PC ,
in Paderborn, dem Institut für Angewandte Informatik (IAI)
in Wuppertal und dem Parallelrechner-Institut des Desy-Zeuthen
(NIC-Zeuthen). Es bestehen
auch enge Kontakte mit dem INFN, Italien, das die Quadricsrechner konzipiert
hat, ebenso wie mit der Firma QSW, die die Rechner produziert.
Im Rahmen eines Kooperationsabkommens zwischen DESY, QSW und den
Universitäten Bielefeld und Wuppertal (ACOMO)
wird ein Prototyp der neuen Computergeneration dem ISKOS
zur Verfügung gestellt. Es besteht auch Interesse
an einer weiteren Zusammenarbeit in der Entwicklung und
Anwendung von spezialisierten Systemen mit sehr grosser Rechenleistung
bis zu 30 Gflops in den nächsten 4-5 Jahren.
Die bisherige Zusammenarbeit ist formalisiert durch die
ACOMO-Übereinkunft sowie durch einen Forschungsverbund
Bielefeld-Paderborn.
Ein weiteres Abkommen Bielefeld-Paderborn-Wuppertal, mit besonderem
Gewicht auf der Ausbildung der Studenten auf den modernsten
parallelen Höchleistungsrechnern ist in Vorbereitung.
Dieses Zusammenarbeit ist besonders aktuell, da neue Rechner
unterschiedlicher Architektur, aber alle von der neusten Generation der
Höchstleistungsrechner, in diesem Jahr voraussichtlich an allen drei
Instituten installiert werden.
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Zwischen dem ISKOS und dem Paderborn Center for Parallel Computing
PC , Paderborn, ist eine sehr fruchtbare
Zusammenarbeit
zustandegekommen. Dies hat zu einem gemeinsamen ZiF-Projekt
Multi-Scale Phenomena: The Simulation of
Complex Systems on Massively Parallel Computers in der Zeit von 1996
bis 1998 geführt.
Es wurden viele international anerkannte Forscher auf dem Gebiet
der Simulation Komplexer Systeme zu kürzeren oder längeren
Aufenthalten eingeladen. Im Rahmen dieses Projekts haben auch
zwei Workshops stattgefunden.
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Weiterhin betreibt das Hochschulrechenzentrum eine sehr
schnelle Datenleitung zwischen Bielefeld und Paderborn, die neue Formen
der Zusammenarbeit (Meta-Computing) zwischen dem ISKOS und
PC
ermöglicht. Sowohl ISKOS als auch PC haben
sich für das
Zustandekommen dieser Leitung eingesetzt. Die Datenleitung wurde am 22.06.98
eingeweiht und macht es möglich, die Rechner in Bielefeld und
Paderborn, die von verschiedenem Typ sind und deshalb komplementär,
miteinander so zu verbinden, dass Teile eines Problems auf dem
einen und andere Teile auf dem anderen Rechner behandelt werden
können, und zwar ohne Verzögerung. Diese Art von Metacomputing
ist sehr aktuell und eine vielversprechende Zukunftsmöglichkeit.
Es ist sehr erfreulich, dass so eine Pionieranlage in unserer
Region zustandegekommen ist.
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Es existiert eine Zusammenarbeit mit mehreren
Instituten ähnlicher Art in den USA und Japan.
Insbesondere sind mit einem der bedeutendsten
Institute, dem Institute of Computational Physics, Tsukuba, Japan, enge
Kontakte geknüpft. Dieses Institut betreibt einen Supercomputer von
600 Gigaflops, einer der grössten der Welt.
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Das ISKOS nimmt Teil an der Planung eines europäischen
Rechenzentrums für die Simulation von Materie unter extremen
Bedingungen. Zu diesem Zweck hat das ISKOS 1998 ein Treffen in Bielefeld
organisiert. Ein weiteres hat im März 1999 in Trento, Italien,
stattgefunden. Es ist durchaus möglich, dass dieses Rechenzentrum
Bielefeld als Standort bekommt, wegen der Erfahrungen und Kompetenzen,
die hier vorhanden sind.
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Das ISKOS verwaltet für das EU-Netzwerk Phase Transition in Hot Matter eine Datenbank.
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In Zusammenhang mit dem neuen Schwerpunkt Biophysik, der an der
Fakultät für Physik aufgebaut werden soll, spielen Simulationen
komplexer Systeme eine sehr grosse Rolle. Die Kompetenzen und Computer
des ISKOS werden für diesen Schwerpunkt sehr hilfreich sein.
Als besonders zukunftsträchtige Aktivitäten schätzen wir das
Metacomputing-Projekt mit der Universität Paderborn ein.
Dies wird umso interessanter, wenn die Rechner der neuen Generation
installiert sind.
Das Metacomputing bildet für die Forschung die Möglichkeit, eine
erweiterte Klasse von Problemen zu behandeln. Ein mögliches
europäisches Rechenzentrum in Bielefeld, sowie gemeinsame
Lehrveranstaltungen mit Wuppertal und Paderborn in
Höchstleistungsrechnen werden neue Anforderungen an das ISKOS
stellen. Studenten mit naturwissenschaftlicher Ausrichtung, die gleichzeitig
mit den modernsten Höchstleistungsrechnern Erfahrung sammeln
könnten, haben besonders gute Aussichten in der Arbeitswelt.
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Gudrun Eickmeyer
Ines Wetzorke
Last Update: 18.2.2000