Realistische Simulationen photoaktiver Systeme auf Hochleistungsrechnern mit Vielkernprozessoren

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kramer; Professor Dr. Alexander Reinefeld
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263051053

Unser interdisziplinäres Projekt befasst sich mit der Fragestellung, den Mechanismen des Energietransports in photoaktiven Systemen auf molekularem Niveau mithilfe genauer, rechenaufwendiger Simulationen auf Hochleistungsrechnern mit Vielkernprozessoren der nächsten Generation aufzuklären. Jüngste Experimente an Photosynthesekomplexen weisen auf einen partiell kohärenten Mechanismus beim gerichteten Energietransfer von der Antenne zum Reaktionszentrum in großen Chlorophyllnetzwerken hin. Um jedoch den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus aufzuklären und die gewonnenen Erkenntnisse für den Entwurf neuer energiewandelnder Bauelemente wie organische Solarzellen anzuwenden, sind präzise Berechnungen der zeitabhängigen Dynamik erforderlich. Bislang kann mittels der "Hierarchical Equations of Motion" (HEOM)-Methode auf einem einzelnen Grafikprozessor die Simulation zeitaufgelöster Spektren von kleinen Photosynthesekomplexen in Schwefelbakterien realisiert werden. Größere photoaktive molekulare Systeme erfordern jedoch den Einsatz von Hochleistungsrechenclustern mit Vielkernprozessoren. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist, dass die Simulationsalgorithmen durch neue Optimierungsstrategien in ihrem Skalierungsverhalten deutlich verbessert werden. Nur so können die grundlegenden wissenschaftlichen Fragestellungen bezüglich der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Exzitonen beantwortet werden. Da die Leistungsgrenze von einzelnen Prozessorkernen mittlerweile erreicht worden ist, kann eine Leistungssteigerung von Hochleistungsrechnern nur noch durch massiv-parallele Prozessorarchitekturen erzielt werden. Um deren inhärente Parallelität plattformübergreifend zu erschließen sind generische Optimierungsstrategien zwingend nötig. Der HEOM Code eignet sich aufgrund seiner modularen Struktur besonders für entsprechende Untersuchungen. Gegenstand der Untersuchungen sind kommunikationsminimierende, graphbasierte Verfahren für Systeme mit gemeinsamem und verteiltem Speicher.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen