30/07/2015 - UPV/EHU-Forscher verwenden Hochleistungs-Computing, um Prozesse zu simulieren, die in den ersten Momenten der Photosynthese auftreten

Menéame

Die Computertechnik - vor allem seit der Schaffung von Supercomputern - ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, sehr komplexe physikalische Prozesse mit Simulationstechniken zu analysieren. Forscher der Abteilung für Computerarchitektur und -technologie und der Abteilung für Physik der Werkstoffe UPV/EHU Sie arbeiten mit Forschern aus verschiedenen Universitäten (u.a. Universität Coimbra, Universität Barcelona, Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, University of Liege) bei der Analyse des Photosyntheseprozesses zusammen, basierend auf bestimmten Theorien, da es noch nicht bekannt ist, wie Pflanzen Licht aufnehmen.

Das für die Photosynthese in Pflanzen zuständige Molekül ist die LHC-II (Light Harvesting Complex II) besteht aus über 17.000 Atomen. Wissenschaftler wissen nicht, wie dieses Molekül wirkt, wenn es Lichtfotos erhält. Um so große Moleküle wie dieses zu simulieren, sind komplexe Computer und fortgeschrittene Programme erforderlich. Joseba Alberdi, Informatikingenieur der UPV/EHU, hat seine Dissertation in diesem Bereich durch die Zusammenarbeit der ALDAPA-Gruppe der Abteilung für Architektur und Computertechnologie der Informatik- und Nano-Bio-Spectroscopy-Gruppe der Chemie-Fakultät durchgeführt.

Zielsetzung: Erzielen hoher Leistung

Das Softwarepaket OCTOPUS, das für die Berechnung verwendet wird, basiert auf zwei Theorien, die das Ergebnis der Neuformulierung der Quantenmechanik sind und auf der elektronischen Dichte basieren. Mit diesen beiden Theorien ist es gelungen, Probleme der Quantenmechanik durch Computer zu lösen; denn "ansonsten werden so komplexe Gleichungen gefunden, dass sie auch mit den leistungsfähigsten Supercomputern nicht gelöst werden können," erklärt Alberdi. "Bedauerlicherweise braucht man sehr lange Ausführungszeiten, um echte Größensysteme zu simulieren, und die einzige Alternative ist die Verwendung von Supercomputern," fügt er hinzu. Bei dieser Arbeit konnten einige der schnellsten Supercomputer der Welt eingesetzt werden: die deutsche Juqueen (mit 458.752 Verarbeitungskernen oder Cores), die italienische Fermi (mit 163.840 Kernen), die deutsche Hydra (65.320 Kerne) und die Katalanische MareNostrum III (48.896 Kerne) unter anderem.

Die These des Forschers Joseba Alberdi zielte darauf ab, den OCTOPUS-Code zu optimieren und eine hohe Leistung zu erzielen, um angemessene Beschleunigungsfaktoren bei den Berechnungen an Supercomputern zu erzielen. Um diesen Code in mehreren Prozessoren ausführen zu können, mussten verschiedene Speicher- und Leistungsprobleme verbessert werden. Es ist immer noch eine Herausforderung, das gesamte LHC-II-Molekular auszuführen, aber sie haben es geschafft, wichtige Teile des Moleküls zu simulieren. "Wir haben Systeme von 5.759, 4.050 und 6.075 Atomen simuliert; nach den verfügbaren Daten sind sie die größten Simulationen, die bisher gemacht wurden," so der Forscher. In diesen Simulationen konnten sie beweisen, dass die Theorie mit der Realität übereinstimmt. "Diese Simulationen werden es uns ermöglichen, zum ersten Mal die Reaktionen der ersten Femtosekunden (10-15 s) der Photosynthese zu verstehen," erklärt er. Auch die Verbesserungen der Anwendung ermöglichen die Simulation vieler anderer Systeme dieser Größe, und da es sich um freie Software handelt, ist sie allen Physikern zugänglich.

Weitere Informationen

Joseba Alberdi (Zumarraga, 1986) ist Informatikingenieur und hat einen Master-Abschluss von fortgeschrittenen IT-Systemen. Er hat die These mit dem Titel High Performance Computing for electron dynamics in complex systems, in der ALDAPA-Gruppe der IT-Abteilung und in der Nano-Bio Spectroscopy-Gruppe der Chemiephysik unter der Leitung von Javier Muguerza und Angel Rubio gehalten.

Die Berechnungen der wichtigsten Teile des Projekts wurden mit dem Supercomputer der Nano-Bio-Spectroscopy-Gruppe und mit dem Supercomputer MareNostrum III in Barcelona durchgeführt.

Bibliographische Angaben

J. Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira,  James J. P. Stewart and A. Rubio. "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants", Physical Chemistry Chemical Physics, July 2015.

X. Andrade, D. Strubbe, U. Giovannini, A.H. Larsen, M.J.T. Oliveira, J. Alberdi-Rodriguez, A. Varas, I. Theophilou, N. Helbig, M. Verstraete, L. Stella, F. Nogueira, A. Aspuru-Guzik, A. Castro, M.A.L. Marques, A. Rubio. "Real-space grids and the Octopus code as tools for the development of new simulation approaches for electronic systems", Physical Chemistry Chemical Physics, February 2015.

J. Alberdi-Rodriguez, M.J.T. Oliveira, P. García-Risueño, F. Nogueira, J. Muguerza, A. Arruabarrena, A. Rubio. "Computational Science and Its Applications--ICCSA 2014". Lecture Notes in Computer Science Volume 8582, pages 607-622, 2 July 2014.

J. Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira,  James J. P. Stewart and A. Rubio. "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants", Physical Chemistry Chemical Physics, July 2015.

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