Simulationen am Supercomputer als Erfolgsfaktor

4,7 Mio. Euro für rechnergestützte Forschung in Chemie und Quantentechnologie

Durchbrüche in den Naturwissenschaften finden nicht mehr ausschließlich im Labor statt: An über 280 Veröffentlichungen der vergangenen Jahre hat der Ulmer Supercomputer JUSTUS einen erheblichen Anteil. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat nun einer Erneuerung des „bwForCluster JUSTUS“ in Höhe von insgesamt 4,7 Millionen Euro zugestimmt. Die Ko-Finanzierung des Nachfolge-Clusters „Computational Chemistry and Quantum Sciences“ durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK) erfolgt im Zuge der Digitalisierungsstrategie digital@bw. In Zukunft soll die Rechenleistung des Ulmer Supercomputers nicht nur Chemikern zur Verfügung stehen, sondern auch Forschenden aus Quantentechnologie und Festkörperphysik.

Computersimulationen bieten Naturwissenschaftlern ungeahnte Möglichkeiten: Dank komplexer Modelle lassen sich Vorgänge auf molekularer und atomarer Ebene sehr viel detaillierter nachbilden als im Experiment. Daraus ergibt sich nicht nur ein besseres Verständnis von Laborergebnissen: Einige Experimente oder Prüfungen neuer Materialien werden sogar überflüssig. Solche detailgetreuen computergestützten Modelle oder aufwändige Datenanalysen erfordern allerdings Hochleistungsrechner. An der Universität Ulm ist Ende 2014 der Supercomputer JUSTUS eingeweiht worden, benannt nach dem deutschen Chemiker Justus von Liebig (1803-1873).

Im Zuge des so genannten „bwForClusters JUSTUS“ konnten zunächst Forschende aller Landesuniversitäten im Bereich theoretische Chemie die Rechenleistung dieses Hochleistungscomputers nutzen, die mehr als 5000 herkömmlichen Laptops entspricht. Das nun bewilligte Nachfolge-Cluster „Computational Chemistry and Quantum Sciences“ steht darüber hinaus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Quantenwissenschaften sowie der Festkörperphysik offen.

Forschungscluster steht jetzt auch Quantentechnologen zur Verfügung

Insbesondere bei der Übertragung von Erkenntnissen aus der Quantentechnologie in die Praxis, wie sie beispielsweise im Zentrum des Ulmer Antrags für ein Exzellenzcluster steht, sind Computersimulationen wertvolle Ergänzungen zu Theorie und Experiment. Dabei reichen Anwendungsgebiete von der Biomedizin bis zur Batterieforschung. „Als System der Tier Ebene 3 der Leistungspyramide kann das neu bewilligte Forschungscluster fokussiert für die Chemie und verwandte Disziplinen angeboten werden. Wir können so vielen zusätzlichen Forschergruppen in Baden-Württemberg einen einfachen Zugang zu leistungsfähigen Rechenressourcen und der dafür benötigten Software bieten“, betont Professor Stefan Wesner, Leiter des Kommunikations- und Informationszentrums (kiz) der Universität Ulm.

Wie bereits JUSTUS wird das nun bewilligte Nachfolgesystem vom kiz betrieben. Vergleichbare Angebote für andere Disziplinen gibt es an weiteren Landesuniversitäten, die alle über das Hochschulnetz BelWü (100 Gigabit/Sekunde) miteinander verbunden sind.

Simulationen gewinnen in den Naturwissenschaften an Bedeutung

In den vergangenen Jahren haben durch JUSTUS ermöglichte Simulationen bereits zu einem besseren Verständnis von Prozessen an der elektrochemischen Grenzfläche geführt – dies ist insbesondere für die Batterieforschung wichtig. Zusätzliche Erkenntnisse betreffen die Nanotechnologie sowie die Weiterentwicklung von Medikamenten.

„Neben Theorie und Experiment gewinnt die Simulation gerade in den Naturwissenschaften immer mehr an Bedeutung. Daher ist die Förderung des Forschungsclusters Computational Chemistry and Quantum Sciences an der Universität Ulm ein großer Erfolg. Gerade auch für die an der Universität besonders starken Forschungsschwerpunkte Quantentechnologie sowie Energiespeicherung und
-wandlung bieten sich hier hervorragende Möglichkeiten“, sagen Universitätspräsident und Informatik-Professor Michael Weber und Forschungs-Vizepräsident Professor Joachim Ankerhold, der als Quantenphysiker ein möglicher Nutzer des Forschungsclusters ist.

Kompetenzzentrum unterstützt Nutzer

Die Erneuerung des Forschungsclusters folgt den strategischen Zielen der baden-württembergischen Universitäten für das High Performance Computing (HPC) sowie für die Speicherung und Verarbeitung großer wissenschaftlicher Datenmengen. Auf dem Weg zu einer integrierten landesweiten Rechen- und Dateninfrastruktur bietet zudem das Begleitprojekt bwHPC-S5 („Scientific Simulation and Storage Support Services“) Forschenden Unterstützung zur effizienten Nutzung der Rechen- und Speichersysteme: Am Standort Ulm steht ihnen im „HPC Kompetenzzentrum Computational Chemistry and Quantum Sciences“ ein Team mit IT-Sachverstand und Expertise in Chemie, Quanten- sowie Festkörperphysik zur Seite. Auch dieses Begleitprojekt wird durch das MWK gefördert.

Die gesamte Investitionssumme für das Nachfolge-Cluster von JUSTUS „Computational Chemistry and Quantum Sciences“ setzt sich aus der bewilligten DFG-Förderung in Höhe von 2 350 000 Euro sowie einer zugesicherten Ko-Finanzierung des MWK in Höhe von 1 500 000 Euro und ergänzenden Eigenanteilen der Universitäten Freiburg, Stuttgart sowie Ulm zusammen.

Das MWK unterstützt mit seiner Strategie zum High Performance und Data Intensive Computing (DIC) den Ausbau der digitalen Infastruktur in Baden-Württemberg. Dazu hat das Ministerium der DFG mehrere Anträge vorgelegt: Parallel zum Ulmer Forschungscluster wurden Projekte an den Universitäten Freiburg, Tübingen, Heidelberg sowie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bewilligt. Von 2017 bis 2024 steht rund eine halbe Milliarde Euro zur Finanzierung der HPC-Landesstrategie zur Verfügung.

Text/Medienkontakt: Annika Bingmann