entdeckt 02/2015 - Uran, Plutonium & Co. - Schnell rechnen für die Plasma-Zeitlupe

entdeckt 02 .15 FORSCHUNG WWW.HZDR.DE Ein Super-Laser schießt, eine Metallfolie verpufft und ein wenig Dampf steigt auf – so simpel ließe sich der Ablauf einer Laser-Teilchenbeschleunigung beschreiben. Doch der Blick auf die physikalischen Details ist weitaus beeindruckender: Die hunderte Billionen Watt starken Laser am Helmholtz-Zentrum in Dresden katapultieren Billiarden von Elektronen nach vorn und kreieren damit eine Art heiße Wolke aus geladenen Teilchen. In einem Zeitraum, in dem ein Elektron um seinen Atomkern fliegt, gerät alles aus dem Gleichgewicht – ein sogenanntes Hochenergie-Plasma entsteht. „Für uns Physi- ker ist das ein sehr interessanter Zustand der Materie. Die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und Ionen sind so unglaublich komplex, dass unsere Grundlagenforschung zunächst exakte, überprüfbare Computer-Modelle benötigt“, erklärt Michael Bussmann, Leiter der Nachwuchsgruppe für computergestützte Strahlenphysik am HZDR. Um solche Modelle berechnen zu können, haben die Dresdner Nachwuchsforscher „PIConGPU“ entwickelt. Dieser spezi- elle Simulations-Code ist so leistungsfähig, dass er selbst den amerikanischen Supercomputer „Titan“ ins Schwitzen bringt. Mit seinen 18.688 Grafik-Recheneinheiten (GPU) ist Titan nicht nur der derzeit zweitschnellste Rechner der Welt, sondern auch besonders gut geeignet für solche Aufgaben: „GPUs sind in der Lage, die Bewegung unglaublich vieler Teilchen parallel zu berechnen – genau darauf kommt es an, wenn extrem komplexe Vorgänge der Laser-Teilchenbeschleu- nigung in sehr kurzen Zeiträumen modelliert werden sollen“, sagt Michael Bussmann. Ein Elektron unter 100 Milliarden Teilchen verfolgen Die Dresdner Wissenschaftler lassen demnach ihre Prozedu- ren nicht wie sonst üblich von normalen Hauptprozessoren durchführen, sondern nutzen Grafikkarten. Diese lösen mit der „Particle-in-Cell“-Methode (PIC) Differentialgleichungen, die die Ausbreitung des Lichts mit der Bewegung der Teilchen im Plasma verbinden. Bei einem Rekordwert von 7,1 Billiarden Berechnungen pro Sekunde (PFLOPs/s) werden so physi- kalische 3D-Modelle vom ultraschnellen Teilchen-Chaos im Plasma erstellt. Der Code kann also wie eine Zeitlupe einge- setzt werden: Selbst unter 100 Milliarden Teilchen können die Forscher noch ein individuelles Elektron verfolgen und seinen Einfluss auf das Gesamtsystem berechnen. Der Clou ist die starke Skalierbarkeit des Codes. Das heißt, die Rechenleistung des Codes steigt proportional zur Anzahl der eingesetzten Grafikkarten. Keine Selbstverständlichkeit, wie Heiko Burau, Diplomand in Bussmanns Nachwuchsgrup- pe, betont: „Schon die kleinsten ungenutzten Wartezeiten bei der Datenverarbeitung führen dazu, dass ein Großteil der GPU-Leistung verpufft.“ Für eine maximale Leistung müssen die Grafikprozessoren also möglichst unabhängig voneinander arbeiten. Da tausende Karten gemeinsam an den Modellen // Superschnell, skalierbar und gratis – was als „Jugend forscht“-Projekt begann, ist heute einer der leistungsfähigsten Programmcodes für Berechnungen in der Astro- und Plasmaphysik. _TEXT . Christian Döring SCHNELL RECHNEN FÜR DIE PLASMA-ZEITLUPE IN AKTION: Ein Laserpuls trifft auf ein kugelförmiges Target. Es entsteht ein Plasma aus Elektronen und Ionen. Wie bei einer Explosion breitet sich das Plasma aus und die Elektronen fliegen davon, gefolgt von den Ionen.

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