High Performance Computing: Superrechner als Innovationsmotoren
Der Superrechner „Noctua 2" ist das Herzstück des Hochleistungsrechenzentrums der Universität Paderborn. Forschende bundesweit nutzen die Rechenkapazitäten der Hochleistungsrechnersysteme, um anspruchsvolle Computersimulationen und Wissenschaft auf höchstem Niveau zu betreiben. High Performance Computing (HPC) wird für verschiedene Disziplinen wie die Quanten-, Klima- oder Medikamentenforschung eingesetzt.
Hochleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie für zahlreiche Wissenschaftsbereiche
In Paderborn beschäftigen sich seit Anfang 2022 insgesamt 140.000 kompakt verbaute Prozessorkerne im Supercomputer „Noctua 2" mit hochkomplexen Aufgaben. Betrieben wird der Rechner vom Paderborn Center for Parallel Computing PC2, einer interdisziplinären Forschungseinrichtung der Universität. Die Kompetenzen liegen in Berechnungen von atomistischen Simulationen, Computerphysik und Optoelektronik. Dafür werden in Paderborn auch Computerprogramme entwickelt und angewendet.
Ein Superrechner ist wie eine Zeitmaschine, denn damit können Wissenschaftler*innen heute schon berechnen, was mit herkömmlichen Rechnern erst in zehn Jahren möglich wäre. Diesen Zeitvorsprung können sie effizient nutzen und sich den Themen widmen, die für unsere Gesellschaft relevant sind – so wie nachhaltige Energietechnik. Wie mit einem Mikroskop kommen Forscher*innen mithilfe von „Noctua 2" näher an die Dinge heran – mit dem Unterschied, dass sie hier beispielsweise einzelne Atome und ihre Wechselwirkungen sehen, also sogar besser als mit jedem Mikroskop im Labor. Und das Ganze läuft extrem schnell ab: Eine Vielzahl von Simulationen kann innerhalb kürzester Zeit durchgeführt und so Millionen von Strukturen ausgetestet werden. Diese tiefere Einsicht in die Prozesse hilft dabei, zu verstehen, wie etwa bestimmte chemische Reaktionen auf atomarer Ebene ablaufen.
Nachhaltige Energiesysteme
Die Fragestellungen, die mit dem Superrechner in Paderborn behandelt werden, sind vielfältig. Im Fokus der Forschung stehen u. a. nachhaltige Energiekonversion durch Solarzellen, Quantensysteme und die klimafreundliche Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff. Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wird die Energie des Sonnenlichts genutzt, um Wasserstoff – einen wichtigen Baustein für die Energiewende – zu gewinnen. In dem Prozess können Katalysatoren genutzt werden, um den Vorgang zu beschleunigen, effizienter zu gestalten und mehr Wasserstoff zu erhalten. Doch welcher Katalysator ist der beste? Mit in Paderborn entwickelten Computerprogrammen wollen die Wissenschaftler*innen zum einen beobachten, warum einige Katalysatoren besser oder schlechter funktionieren, zum anderen können sie neue Verbindungen finden, die sie anschließend im Labor selbst herstellen können und die gleichzeitig effizienter als bereits genutzte Katalysatoren sind. Ein anderes Beispiel sind Tandem-Solarzellen, deren einzelne Schichten sowohl die Energie des Sonnenlichts effizient umwandeln können als auch lichtdurchlässig sind, sodass auch in der zweiten und gegebenenfalls dritten Ebene noch Licht ankommt, das genutzt werden kann. Damit wollen Wissenschaftler*innen den Wirkungsgrad der Zellen erhöhen. Schon mit dem Vorläufer des aktuellen Superrechners, „Noctua 1", konnten die Forscher*innen der Universität Paderborn verschiedene Materialien für Tandem-Solarzellen vorschlagen, deren Wirkungsgrad bei 23 Prozent lag.
HPC und Quantencomputer
Simulationen erlauben tiefe Einblicke in komplexe Systeme und sind oftmals entscheidend für wissenschaftliche Durchbrüche. Um das volle Potenzial moderner Rechensysteme vollständig auszuschöpfen, wollen Paderborner Wissenschaftler*innen ein hybrides Modell etablieren: Sie kombinieren Quanten- und Supercomputing, also HPC. Weil die Informationsverarbeitung parallel stattfindet, können Aufgaben schneller gelöst werden. Dafür sind parallele Strukturen vorhanden, die sich jeweils um die einzelnen Arbeitspakete kümmern. Hochleistungsrechnen wird ebenso wie Quantencomputing zur Erforschung von Quantenzuständen im Sinne der physikalischen Grundlagen eingesetzt. Gleichzeitig werden Quantenzustände genutzt, um immer schnelleres Rechnen zu ermöglichen. Noch steckt die Forschung dazu allerdings in den Kinderschuhen. Mit Noctua und der Expertise von u. a. Physiker*innen, Informatiker*innen, Mathematik*innen und Ingenieur*innen kommen die Paderborner Wissenschaftler*innen dem Ziel aber täglich ein Quäntchen näher.
