TERRA-NEO - Integrated Co-Design of an Exascale Earth Mantle Modeling Framework

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hans-Peter Bunge, Ph.D.; Professor Dr. Ulrich Rüde; Professorin Dr. Barbara Wohlmuth
• Fachliche Zuordnung: Softwaretechnik und Programmiersprachen ; Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie ; Mathematik ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230862710

Festkörperkonvektion des Erdmantels, angetrieben durch den Wärmetransport vom Inneren an die Oberfläche unseres Planeten, verursacht einen Großteil der geologischen Aktivität der Erde.Ein besseres Verständnis der Kopplung von oberflächennahen und tiefen Prozessen wird derzeit als eine der drängendsten Fragestellungen der Geowissenschaften gesehen. Es ist darüber hinaus von zentraler Relevanz im Hinblick auf die Entwicklungsgeschichte sedimentärer Becken und deren überragender wirtschaftlicher Bedeutung.Führt man sich die wachsende Komplexität innerhalb einzelner Disziplinen vor Augen, so wird einem die Wucht der Herausforderung bewusst, die globale Erdmantelsimulationen auf modernen Höchstleistungsarchitekturen mit sich bringen. Die Geophysik muss die Hürden einer hohen Mod- ellkomplexität, der Unsicherheit der Beobachtungen (Rheologie und seismische Abbildungen der Mantelheterogenität), sowie die extremen räumlichen und zeitlichen Skalen des Systems überwinden. Die algorithmische Modellierung steht vor einem Paradigmenwechsel und bedarf einer Reevaluierung von Optimalitätskriterien in Hinblick auf das Supercomputing, während die Softwa- reentwicklung häufig noch nicht im Zeitalter des Exascale Computing mit seiner milliardenfachen Nebenläufigkeit angekommen ist. Dieses Konsortium hat bereits das Potential interdisziplinären Forschung durch eine Reihe gemeinsamer Publikationen, siehe auch Teil B, Unterkapitel 1.1, belegt und steht voll hinter der fachübergreifenden Zusammenarbeit, die erforderlich ist,um TERRA-NEO als neues Exascale-Simulationssoftwaresystem zu entwickeln.TERRA-NEO baut auf blockweisen hybriden Finite-Elemente-Ansätzen unter der Verwendung von ikosahedralen Datenstrukturen auf und behandelt komplexe Multi-Physikprobleme für die Erdmantelkonvektion.Dieser Ansatz erlaubt die Konstruktion von Exascalelösern mit maximaler Skalier- barkeit und optimaler Effizienz. Wir haben bereits gezeigt, dass sich damit globale Mantelkonvek- tionsflüsse auf petascale Rechnern mit einer bis vor kurzem undenkbaren globalen Auflösung von 1km pro Zeitschritt berechnen lassen, was die Lösung von indefiniten Systemen mit mehr als 10 hoch 12 Unbekannten erfordert.Um den Sprung auf Exascale zu realisieren, werden wir neue kommunikationsarme, asynchrone Lösungstechniken entwickeln, die die bisherige Übersynchronisation hierarchischer Iterationsverfahren verringern. Nur so können Fragestellung der stochastischen Unsicherheitsquantifizierung und in- verser Probleme in Angriff genommen werden. Neuartige algorithmische Methoden ermöglichen die Kompensation von Ausfällen. TERRA-NEO wird für die zukünftigen heterogenen exascale Computer entwickelt werden, getrieben durch architekturberücksichtigende Performance-Modelle und resultierend in einem ganzheitlichen Co-Design für Algorithmen und Datenstrukturen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1648: Software für Exascale Computing