Verbundprojekt Multiphysiksimulationen für die Geodynamik auf heterogenen Exascale-Supercomputern: Co-Design volumengekoppelter Multiphysiksoftware (CoMPS); Teilprojekt FAU (CoMPS-FAU)

Abstract

Das Gesamtvorhaben war auf die Entwicklung extrem skalierbarer numerischer Methoden und Software für geodynamische Anwendungen ausgerichtet, mit besonderem Fokus auf die Simulation der Erdmantelkonvektion. Aufgrund der erforderlichen hohen räumlichen Auflösung und der Kopplung mehrerer physikalischer Prozesse stellt diese Anwendung eine zentrale Herausforderung im Hochleistungsrechnen dar.

Ein wesentliches Ziel war die deutliche Reduktion des Speicherbedarfs großskaliger Finite-Elemente-Simulationen durch den Einsatz matrixfreier Verfahren, ergänzt durch Surrogatansätze und automatisierte Mixed-Precision-Techniken. Diese Methoden sollten es ermöglichen, globale Erdmantelmodelle mit maximal möglicher Auflösung auf modernen Hochleistungsrechnern effizient abzubilden. Die FAU war maßgeblich mit der Entwicklung effizienter Algorithmen und Software befasst.

Darüber hinaus zielte das Projekt auf die Entwicklung und Demonstration hochskalierbarer, volumengekoppelter Löser für die in der Geodynamik relevanten Stokes- und Transportprobleme. Im Mittelpunkt stand dabei die Lösung großer, indefiniter Finite-Elemente-Sattelpunktprobleme auf dreidimensionalen Rechengebieten mit extrem vielen Freiheitsgraden und sehr guter paralleler Effizienz auf Near-Exascale-Systemen.

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der automatisierten Generierung leistungsfähiger numerischer Kernroutinen. Ziel war es, die Entwicklungszeit für komplexe Erdmantelmodelle deutlich zu reduzieren, ohne dabei Abstriche bei der erreichbaren Rechenleistung gegenüber manuell optimierten Implementierungen zu machen.

Die entwickelten numerischen Methoden und Kopplungsstrategien sollten anhand etablierter geodynamischer Benchmarks validiert werden, um ihre Eignung für realistische Erdmantelkonvektionsmodelle sicherzustellen. Ergänzend war vorgesehen, Unsicherheiten in Materialparametern und Randbedingungen systematisch in die Modellierung einzubeziehen, insbesondere im Kontext inverser Fragestellungen. Schließlich war es ein erklärtes Ziel, die im Projekt erarbeiteten Methoden, Softwarekomponenten und konzeptionellen Ansätze einer breiten nationalen und internationalen Fachöffentlichkeit zugänglich zu machen. Dies sollte durch die Veröffentlichung von wissenschaftlichen Artikeln, die Bereitstellung von Open-Source-Software und die Präsentation der Ergebnisse auf relevanten Konferenzen und Workshops erreicht werden.