GromEx: Hochskalierbare, langreichweitige Elektrostatik mit flexibler Ionisierung für realitätsnahe Simulationen von Biomolekülen auf Exascale-Computern

• Antragsteller: Dr. Holger Dachsel; Professor Dr. Helmut Grubmüller
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230673686

Computersimulationen auf der Basis fundamentaler Gesetze der Physik und Chemie sind heute bei der Erforschung molekularer Struktur und Funktion unverzichtbar. Die bei molekularen Simulationen zu lösenden Probleme treten auch generell bei Simulationen von stark interagierendenen Systemen auf, z.B. in der Astro- oder Plasmaphysik. Die gemeinsame, Herausforderung ist dabei die effiziente Berechnung langreichweitiger, elektrostatischer oder gravitativer Wechselwirkungen, welche deswegen oft nur stark parallelisiert auf modernen Supercomputern möglich ist. Molekulare Elektrostatik ist besonders komplex, da titrierbare Gruppen eine zeitlich veränderliche Ladungsverteilung aufweisen können. Grund sind z.B. Protonierungs- oder Redoxreaktionen, oder die Bindung oder Freisetzung eines Wirk- oder Botenstoffs. Diese Reaktionen sind eng mit der Elektrostatik der Biomoleküle und mit ihrer Funktion verknüpft und müssen daher für eine realistische Beschreibung berücksichtigt werden. Gegenwärtige Methoden zur Berechnung molekularer Elektrostatik (wie die Particle-Mesh-Ewald Methode, PME) können solche titrierbaren Gruppen nicht effizient behandeln und sind zusätzlich nicht nutzbringend über viele Prozessorkerne parallelisierbar. Um beide Probleme mit einem integrierten, hochskalierbaren Ansatz für Exascale-Computer zu lösen, werden wir in diesem Projekt eine schnelle Multipol- (FMM) mit deiner lambda- Dynamik Methode verbinden. Mit der FMM können langreichweitige Interaktionen sehr effizient und hochskalierbar berechnet werden.Gleichzeitig ermöglicht lambda-Dynamik die realitätsnahe Beschreibung chemischer Variabilität. Diese Kombination wird mithilfe von zukünftigen Exascale-Computern gänzlich neue Anwendungsbereiche für Simulationen erschließen, wie z.B. die effektive computergestützte Wirkstoffentwicklung. Die Neuentwicklung von leistungsfähigen Methoden für Exascale-Computing wird daher von großem Nutzen für Wissenschaft und Gesellschaft sein.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1648: Software für Exascale Computing
• Internationaler Bezug: Schweden
• Mitverantwortliche: Dr. Ivo Kabadshow; Dr. Carsten Kutzner
• Kooperationspartner: Dr. Berk Hess