Multiphysiksimulationen für die Geodynamik auf heterogenen Exascale-Supercomputern (CoMPS); Teilprojekt LRZ; Teilvorhaben: CoMPS-LRZ - Richtlinie: Neue Methoden und Technologien für das Exascale-Höchstleistungsrechnen (SCALEXA)

Abstract

Das CoMPS-Projekt hatte zum Ziel, extrem skalierbare numerische Methoden und Software für geodynamische Anwendungen zu entwickeln, insbesondere für die Simulation der Erdmantelkonvektion. Diese stellt aufgrund der hohen räumlichen Auflösung, der Kopplung multipler physikalischer Prozesse sowie der sehr großen Anzahl an Freiheitsgraden eine zentrale Herausforderung im Hochleistungsrechnen dar. Insbesondere erfordern realistische Modelle eine Kombination aus hoher numerischer Genauigkeit, effizienter Parallelisierung und einer optimalen Nutzung moderner HPC-Infrastrukturen. Zum Zeitpunkt der Antragstellung war absehbar, dass etablierte numerische Verfahren und Softwareansätze nur eingeschränkt auf moderne, zunehmend heterogene HPC-Architekturen übertragbar sind. Die aktuelle Entwicklung hin zu Systemen, die aus einer Kombination von CPUs, GPUs und weiteren Beschleunigern bestehen, stellt neue Anforderungen an Datenstrukturen, Speicherzugriffe und Parallelisierungsstrategien. Klassische Implementierungen stoßen hierbei insbesondere aufgrund von Speicherbandbreitenlimitationen und ineffizienter Datenbewegung an ihre Grenzen. Vor diesem Hintergrund zielte das Vorhaben auf eine durchgängige Optimierung der gesamten Simulationspipeline. Zentrale Ansätze waren der Einsatz matrixfreier Verfahren zur signifikanten Reduktion des Speicherbedarfs und der Datenbewegung, die Nutzung von Surrogatmethoden zur Approximation rechenintensiver Operationen sowie automatisierte Mixed-Precision-Techniken zur Anpassung der numerischen Genauigkeit an die jeweilige Problemstellung. Ergänzend wurde die Entwicklung hochskalierbarer, volumengekoppelter Löser für die in der Geodynamik relevanten Stokes- und Transportprobleme adressiert, die auf dreidimensionalen Rechengebieten mit extrem vielen Freiheitsgraden effizient eingesetzt werden können. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der automatisierten Generierung leistungsfähiger numerischer Kernroutinen, um die Portabilität und Effizienz der Implementierungen über verschiedene Zielarchitekturen hinweg sicherzustellen. Gleichzeitig wurden Aspekte des Forschungsdatenmanagements, der Reproduzierbarkeit sowie der Analyse und Visualisierung großskaliger Simulationsergebnisse von Beginn an integriert, um eine nachhaltige Nutzung der erzeugten Daten und Methoden zu gewährleisten.