Supercomputer superschnell programmieren

Neue Software-Bibliothek reduziert Programmierzeiten

© Background image: ZIH/TU Dresden © Scientific image: Ivo Sbalzarini, MPI-CBG / CSBD

Supercomputer sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug in den Lebenswissenschaften und der biomedizinischen Forschung geworden. High-Fidelity Computersimulationen ermöglichen es uns, realistische biologische Modelle zu untersuchen und Fragen zu stellen, die sonst nicht möglich wären. Die Geschwindigkeit und Leistung der Computerhardware hat in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen. Gleichzeitig ist die Programmierung dieser Computersysteme immer schwieriger geworden. Das Fachwissen, das für das Design und die Entwicklung effizienter Supercomputing-Codes erforderlich ist, findet sich nur bei einer kleinen Anzahl von Experten. Auch die Entwicklung und Erstellung eines komplexen Simulationsprogramms dauerte bisher in der Regel Jahre und war ein komplettes Promotionsprojekt. 

Forscher um Ivo Sbalzarini, Forschungsgruppenleiter am MPI-CBG und am Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD), haben nun eine neuartige Programmiersoftware-Bibliothek veröffentlicht, um dieses Problem anzugehen. In den letzten sechs Jahren hat das Team die Theorie, Konzepte, das Software-Design und die Implementierung von OpenFPM entwickelt - dem Open-Source-Framework für partikel- und netzbasierte Simulationen. In ihrer Arbeit, die jetzt in der Zeitschrift Computer Physics Communications veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, wie OpenFPM eine große Gruppe von verschiedenen Computercodes - wie Simulationen, Bildverarbeitung und maschinelles Lernen - abdecken kann, die alle unter diesem Rahmen dargestellt werden können.  Auf diese Weise können wissenschaftliche Programmierer Supercomputing-Codes in wenigen Stunden entwickeln und auf bis zu hundert oder tausend Prozessorkerne anwenden. Wichtig ist, dass die Leistung und Skalierbarkeit von OpenFPM-basierten Codes gleichwertig und manchmal sogar besser sind als handgeschriebene Codes, die von Experten über viele Jahre entwickelt wurden. Ein/e Doktorand/in kann nun die Leistung von NASA-Codes übertreffen. 

Pietro Incardona, Erstautor der Publikation, sagt: "OpenFPM reduziert die Zeit, die wir mit dem Programmieren verbringen, radikal und ermöglicht es uns, mehr Zeit für die biologischen Fragen hinter dem Code aufzuwenden. Es ermöglicht auch Wissenschaftlern ohne spezielle Ausbildung in der Supercomputer-Programmierung, die Vorteile dieser Hightech-Maschinen zu nutzen. Damit kann OpenFPM ein wichtiger Schritt in Richtung routinemäßige Anwendung von Supercomputern in der Biologie sein."

Sbalzarini, der auch Professor für Informatik an der TU Dresden ist, fügt hinzu: "Wir hoffen, dass OpenFPM der neue Standard in diesem Bereich wird und dass Simulationen effizienter, skalierbarer, stromsparender und für eine breitere wissenschaftliche Gemeinschaft zugänglicher werden. Zukünftig wird OpenFPM auch die direkte Visualisierung von laufenden Simulationen oder die rechnerische Steuerung durch Handgesten in der Virtual Reality CAVE unterstützen. Wir sind sehr gespannt auf die zukünftigen Anwendungen und Auswirkungen auf die Grundlagenforschung."

Originalpublikation

Pietro Incardona, Antonio Leo, Yaroslav Zaluzhnyia, Rajesh Ramaswamy, Ivo F.Sbalzarini:  "OpenFPM: A scalable open framework for particle and particle-mesh codes on parallel computers". Computer Physics Communications, Volume 241, August 2019, Pages 155-177
doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007