High Performance Compute Cluster (HPC-Cluster)

• Subject Area: Computer Science
• Term: Funded in 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 195534853

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Das mit dem Antrag geförderte High Performance Compute Cluster (HPC) wurde von mehreren Arbeitsgruppen aus den Fachbereichen Physik, Chemie sowie Mathematik und Informatik für rechenintensive Untersuchungen überwiegend im Bereich der Strömungsphysik und Materialwissenschaften eingesetzt. Mit dem Cluster ist es gelungen die Eigenschaften der turbulenten Taylor-Couette Strömung für Reynoldszahlen um 20.000 zu bestimmen und einer theoretischen Modellierung zuzuführen. Beim Übergang zur Turbulenz wurden in Grenzschichtströmungen die statistischen Eigenschaften beschrieben, das Auftreten von lokalisierten kohärenten Zuständen erklärt, und die kritischen Reynoldszahlen sowie die Sekundärbifurkationen in der ebenen Poiseuille Strömung bestimmt. In der numerischen Mathematik wurde das Cluster bei der Entwicklung adaptiver Algorithmen auf der Basis von Wavelets für stochastische partielle Differentialgleichungen und Parameteridentifizierungsprobleme sowie beim Training von neuronalen Netzen für die Personenerkennung mittels Shearlets eingesetzt. Im Bereich der Computational Chemistry wurde das Cluster von mehreren Arbeitsgruppen genutzt. So konnten experimentelle Untersuchungen zu den strukturellen, opto-elektronischen und chemischen Eigenschaften von multinären Aggregaten aus Hauptgruppenelementen und organischen Komponente mit quantenchemischen Rechnungen unterstützt werden. Weiter konnten die Geometrie und Bindungsverhältnisse von neuen, experimentell noch nicht beobachteten Molekülen bestimmt sowie mögliche Synthesewege beschrieben werden. Im Rahmen von Verbundvorhaben wurden die physikalischen und chemischen Eigenschaften funktionalisierter Halbleiteroberflächen und interner Grenzflächen mit Hilfe quantenchemischer ab initio-Verfahren aufgeklärt. Damit sind u.a. Simulationen von Dünnschicht-Wachstumsverfahren für Halbleiter-Heterostrukturen und zur Bildung von Pyramidenstrukturen ermöglicht worden. Bei der Berechnung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von III/V Halbleitern wurden Superzellen mit bis zu 432 Atomen eingesetzt. Die damit erzielten Ergebnisse zur strukturellen Relaxation konnten zusammen mit Kontrastsimulationen des Rastertransmissionselektronenmikroskops (STEM) zur quantitativen Analyse von STEM Messungen weiterentwickelt und in dem hoch parallelisierten Algorithmenpaket STEMsalabim zusammgeführt werden. Schließlich konnte bei der Analyse von Vielteilcheneffekte in einem 2d Elektronengas in einem Magnetfeld gezeigt werden, dass die Quelle der THz-Strahlung in der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Ionen liegt. Insgesamt wurde bei über 80 Promotionen, Master- und Bachelorarbeiten auf das Cluster zurückgegriffen. Neben zahlreichen Einzelförderungen haben auch Projekte im GRK1782 Functionalization of Semiconductors und im SFB 1083 Structure and Dynamics of Internal Interfaces davon profitiert. Der Betrieb wird vom Rechenzentrum der Philipps-Universität sichergestellt, die Softwarebetreuung und Beratung durch Mitarbeiter im Rahmen des Hessischen Kompetenzzentrums für Hochleistungsrechnen gewährleistet.

Publications

• Direct numerical simulations of local and global torque in Taylor-Couette flow up to Re=30 000, J. Fluid Mech. 718, 398 (2013)
  H. Brauckmann and B. Eckhardt
  
• Dative Bonds in Main Group Compounds: A Case for More Arrows! Angew. Chem. 126, 6152 (2014); Int. Ed. 53, 6040 (2014)
  G. Frenking
  
• Long wavelength instability of coherent structures in plane Couette flow, Phys. Rev. E 89, 043008 (2014)
  K. Melnikov, T. Kreilos, and B. Eckhardt
  
• A highly efficient directional molecular white-light emitter driven by a continuous wave laser diode Science 352, 1301–1304 (2016)
  N.W. Rosemann, J.P. Eußner, A. Beyer, S.W. Koch, K. Volz, S. Dehnen, S. Chatterjee
  
• Adaptive Wavelet Schwarz Method for the Navier-Stokes-Equation, Num. Funct. Anal. Opt. 37, 1213-1234 (2016)
  S. Dahlke, D. Lellek, S. Hong Lui und R. Stevenson
  
• Bypass transition and spot nucleation in boundary layers, Phys. Rev. Fluids 1, 043602 (2016)
  T. Kreilos, T. Khapko, P. Schlatter, Y. Duguet, D. S. Henningson, and B. Eckhardt
  
• Coherent cyclotron motion beyond Kohn’s theorem. Nat. Phys. 12, 119 (2016)
  T. Maag, A. Bayer, S. Baierl, M. Hohenleutner, T. Korn, C. Schüller, D. Schuh, D. Bougeard, C. Lange, R. Huber, M. Mootz, J. E. Sipe, S. W. Koch, and M. Kira
  
• Pyramidal Structure Formation at the Interface between III/V Semiconductors and Silicon. Chem. Mat., 28, 3265-3275 (2016)
  A. Beyer, A. Stegmüller, J. O. Oelerich, K. Jandieri, K. Werner, G. Mette, W. Stolz, S. Baranovski, R. Tonner, K. Volz
  
• Understanding of multimetallic cluster growth. Nat. Commun. 7, 10480–10490 (2016)
  S. Mitzinger, L. Broeckaert, W. Massa, F. Weigend, S. Dehnen
  
• “STEMsalabim: A high-performance computing cluster friendly code for scanning transmission electron microscopy image simulations of thin specimens, Ultramicroscopy, 177, 91–96 (2017)
  J. O. Oelerich, L. Duschek, J. Belz, A. Beyer, S. D. Baranovskii, and K. Volz