Mit Grafikkarten auf der Spur der Schwarzen Löcher
2.
Februar
2009
Beim 48. Gesprächskreis Rhein-Neckar stellte Professor Rainer Spurzem von der Universität Heidelberg die neuesten Entwicklungen auf dem Sektor der Supercomputer vor, die für die Simulation komplexer physikalischer Probleme benötigt werden
Der 48. Gesprächskreis Rhein-Neckar, bei dem Physiker aus der Industrie und Hochschule sich zwei Mal im Jahr über ihre neuesten Forschungsergebnisse informieren, zeigte wieder einmal die Breite der physikalischen Forschung in der Metropolregion Rhein-Neckar. Während Dr. Sven Preuss vom Gastgeber, der Firma Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH, über die technischen Herausforderungen der Laserlithographie berichtete, zeigte Dr. André Rupp von der Sektion Biomagnetismus der Neurologischen Klinik des Heidelberger Universitätsklinikums, wie Gehirnaktivitäten beim Hören mit Hilfe der Magnetoenzephalographie dargestellt werden können.
Um das Verhalten von Elastomeren ging es in dem Vortrag von Dr. Herbert Baaser von den Freudenberg Forschungsdiensten KG. Professor Dr. Thomas Leisner vom Institut für Umweltphysik der Heidelberger Universität sowie vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe zeigte, wie fein verteilte feste oder flüssige Partikel in der Atmosphäre, so genannte Aerosole, das Klima beeinflussen können. Wo die Grenzen der Analytik bei der Bestimmung der Glucosekonzentration im Blut liegen, wurde im Vortrag von Dr. Wolfgang Petrich von Roche Diagnostics GmbH deutlich.
Ein Thema, das die Stärken der Fakultät für Physik und Astronomie an der Ruperto Carola kombiniert, stellte schließlich Professor Rainer Spurzem vom Astronomischen Rechen-Institut am Zentrum für Astronomie (ARI-ZAH) vor. Er ist den so genannten Schwarzen Löchern im All auf der Spur. Allerdings nicht mit konventionellen Methoden, wie etwa der Beobachtung mit einem Teleskop. „Wir simulieren physikalische Probleme am Computer“, erläuterte Rainer Spurzem sein Forschungsgebiet.
Die meisten Galaxien besitzen in ihrem Zentrum wohl ein sehr massereiches Schwarzes Loch. Aus verschiedenen Beobachtungen ist ebenfalls bekannt, dass Galaxien manchmal miteinander kollidieren. „Was passiert dabei mit den Schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien?“, umriss Rainer Spurzem die ihn interessierende Fragestellung. Einige Parameter konnten schon berechnet werden. So etwa, dass die Annäherung der beiden extrem massereichen Gebilde umso langsamer verläuft, je höher die Teilchenzahl um die Schwarzen Löcher ist.
Rotieren die Galaxien und die Schwarzen Löcher dagegen um ihre eigene Achse, nähern sie sich schneller an. Wenn sie schließlich zusammenstoßen, senden sie so genannte Gravitationswellen aus, wie sie Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte. Die Gravitationswellen auf der Erde zu messen, ist jedoch sehr schwierig, und deshalb berechnet Rainer Spurzem, welche Wellenform sie aufweisen könnten. Wichtig ist dies beispielsweise für das LISA-Projekt (Laser Interferometer Space Antenna) von NASA und ESA, bei dem Satelliten mit Interferometern die Gravitationswellen aufspüren sollen.
„Dafür berechnen wir die Gravitationskräfte in Vielteilchensystemen“, erklärte Rainer Spurzem. Allerdings gelangt man dabei sehr schnell an die Grenzen der Rechenkapazität. So waren vor 10 bis 15 Jahren gerade einmal einige tausend Teilchen berechenbar. Doch nur unter Einbeziehung von noch mehr Teilchen lassen sich genauere Vorhersagen machen. Selbst so genannte Supercomputer lassen sich für diese Berechnungen nicht nutzen. Sie benötigen zwar aufgrund ihrer hohen Zahl an Prozessoren wenig Rechenzeit, doch gerade die große Anzahl an Prozessoren stellt einen Kommunikationsengpass dar. Deshalb wurden vor einigen Jahren Spezialrechner mit so genannten GRAPE-Karten entwickelt, mit denen die Anziehung zwischen den Teilchen um Vieles schneller berechnet werden konnte.
Eine Weiterentwicklung erfolgt in dem interdisziplinären GRACE-Projekt, gemeinsam mit dem Institut für Technische Informatik (ZITI, Universität Heidelberg, Standort Mannheim). In diesem Projekt werden neuerdings handelsübliche Grafikkarten verwendet. Der Vorteil der neuen Generation von Grafikkarten, die im letzten Jahr auf den Markt gekommen sind, ist nicht nur, dass sie preiswert sind, sondern dass sich auf ihnen Hunderte Prozessoren befinden, die im Gegensatz zu früher programmierbar sind. Deren Programmiersprache CUDA ist recht einfach. „Sie ist ähnlich zu der Programmiersprache C“, hielt Rainer Spurzem fest.
Aus dem zur Exzellenzinitiative gehörenden Frontier-Projekt und der dabei erfolgten Zusammenarbeit von ARI, ZITI und dem Institut für Theoretische Astrophysik ist dabei ein neuer Supercomputer entstanden, der bis zu 40 Teraflops (Billionen Rechenoperationen pro Sekunde) schnell ist und helfen soll, zwei der wichtigsten Fragen des LISA-Projektes zu beantworten, nämlich wie Galaxien um Schwarze Löcher herum entstehen und welches Schicksal die Schwarzen Löcher erleiden, wenn Galaxien verschmelzen.
Rückfragen bitte an:
Professor Dr. Rainer Spurzem
Universität Heidelberg
Astronomisches Rechen-Institut
Mönchhofstr. 12-14
69120 Heidelberg
Tel. 06221 541830
spurzem@ari.uni-heidelberg.de
Allgemeine Rückfragen von Journalisten auch an:
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
michael.schwarz@rektorat.uni-heidelberg.de
http://www.uni-heidelberg.de/presse
Irene Thewalt
Tel. 06221 542310, Fax 542317
presse@rektorat.uni-heidelberg.de
Um das Verhalten von Elastomeren ging es in dem Vortrag von Dr. Herbert Baaser von den Freudenberg Forschungsdiensten KG. Professor Dr. Thomas Leisner vom Institut für Umweltphysik der Heidelberger Universität sowie vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe zeigte, wie fein verteilte feste oder flüssige Partikel in der Atmosphäre, so genannte Aerosole, das Klima beeinflussen können. Wo die Grenzen der Analytik bei der Bestimmung der Glucosekonzentration im Blut liegen, wurde im Vortrag von Dr. Wolfgang Petrich von Roche Diagnostics GmbH deutlich.
Ein Thema, das die Stärken der Fakultät für Physik und Astronomie an der Ruperto Carola kombiniert, stellte schließlich Professor Rainer Spurzem vom Astronomischen Rechen-Institut am Zentrum für Astronomie (ARI-ZAH) vor. Er ist den so genannten Schwarzen Löchern im All auf der Spur. Allerdings nicht mit konventionellen Methoden, wie etwa der Beobachtung mit einem Teleskop. „Wir simulieren physikalische Probleme am Computer“, erläuterte Rainer Spurzem sein Forschungsgebiet.
Die meisten Galaxien besitzen in ihrem Zentrum wohl ein sehr massereiches Schwarzes Loch. Aus verschiedenen Beobachtungen ist ebenfalls bekannt, dass Galaxien manchmal miteinander kollidieren. „Was passiert dabei mit den Schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien?“, umriss Rainer Spurzem die ihn interessierende Fragestellung. Einige Parameter konnten schon berechnet werden. So etwa, dass die Annäherung der beiden extrem massereichen Gebilde umso langsamer verläuft, je höher die Teilchenzahl um die Schwarzen Löcher ist.
Rotieren die Galaxien und die Schwarzen Löcher dagegen um ihre eigene Achse, nähern sie sich schneller an. Wenn sie schließlich zusammenstoßen, senden sie so genannte Gravitationswellen aus, wie sie Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte. Die Gravitationswellen auf der Erde zu messen, ist jedoch sehr schwierig, und deshalb berechnet Rainer Spurzem, welche Wellenform sie aufweisen könnten. Wichtig ist dies beispielsweise für das LISA-Projekt (Laser Interferometer Space Antenna) von NASA und ESA, bei dem Satelliten mit Interferometern die Gravitationswellen aufspüren sollen.
„Dafür berechnen wir die Gravitationskräfte in Vielteilchensystemen“, erklärte Rainer Spurzem. Allerdings gelangt man dabei sehr schnell an die Grenzen der Rechenkapazität. So waren vor 10 bis 15 Jahren gerade einmal einige tausend Teilchen berechenbar. Doch nur unter Einbeziehung von noch mehr Teilchen lassen sich genauere Vorhersagen machen. Selbst so genannte Supercomputer lassen sich für diese Berechnungen nicht nutzen. Sie benötigen zwar aufgrund ihrer hohen Zahl an Prozessoren wenig Rechenzeit, doch gerade die große Anzahl an Prozessoren stellt einen Kommunikationsengpass dar. Deshalb wurden vor einigen Jahren Spezialrechner mit so genannten GRAPE-Karten entwickelt, mit denen die Anziehung zwischen den Teilchen um Vieles schneller berechnet werden konnte.
Eine Weiterentwicklung erfolgt in dem interdisziplinären GRACE-Projekt, gemeinsam mit dem Institut für Technische Informatik (ZITI, Universität Heidelberg, Standort Mannheim). In diesem Projekt werden neuerdings handelsübliche Grafikkarten verwendet. Der Vorteil der neuen Generation von Grafikkarten, die im letzten Jahr auf den Markt gekommen sind, ist nicht nur, dass sie preiswert sind, sondern dass sich auf ihnen Hunderte Prozessoren befinden, die im Gegensatz zu früher programmierbar sind. Deren Programmiersprache CUDA ist recht einfach. „Sie ist ähnlich zu der Programmiersprache C“, hielt Rainer Spurzem fest.
Aus dem zur Exzellenzinitiative gehörenden Frontier-Projekt und der dabei erfolgten Zusammenarbeit von ARI, ZITI und dem Institut für Theoretische Astrophysik ist dabei ein neuer Supercomputer entstanden, der bis zu 40 Teraflops (Billionen Rechenoperationen pro Sekunde) schnell ist und helfen soll, zwei der wichtigsten Fragen des LISA-Projektes zu beantworten, nämlich wie Galaxien um Schwarze Löcher herum entstehen und welches Schicksal die Schwarzen Löcher erleiden, wenn Galaxien verschmelzen.
Stefan Zeeh
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