Hochleistungsrechencluster (HPC-Cluster)
Überblick
Das beantragte leistungsfähige, Cluster-basierte Parallelrechnersystem soll den Bedarf der Paderborner Naturwissenschaften an lokal vorhandener paralleler Rechenleistung bis über das Jahr 2018 hinaus sicherstellen. Obwohl die beteiligten Arbeitsgruppen auch Nutzer an nationalen (Höchstleistungs-) Rechenzentren sind, erfordern viele Aufgaben (z.B. Simulationen mit mehrtägiger bzw. mehrwöchiger Rechendauer) Zugriff auf leistungsfähige lokale Ressourcen. Das beantragte HPC-System ist als Ersatz bzw. Erweiterung des 2008 durch das Department Physik beschafften und seitdem im Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) betriebenen Rechenclusters PLING-2 gedacht, der bei weitem nicht mehr den gegenwärtigen Anforderungen der Theorie-Gruppen der Naturwissenschaften genügt. Dies betrifft sowohl die stark gestiegenen Anforderungen an lokaler Rechenzeit, als auch das Problem, dass der aktuell 6 Jahre alte Cluster inzwischen viele Ausfälle, insbesondere in den Verbindungen zwischen den Knoten hat, so dass der Cluster zum Teil nur noch für serielle Anwendungen genutzt werden kann.Der beantragte HPC-Cluster PLING-3 soll den in die Jahre gekommenen Cluster PLING-2 ersetzen und ein Bindeglied zwischen Workstations und externen HPC-Ressourcen darstellen. Zudem entlastet er den bereits an die Kapazitätsgrenze angelangten HPC-Cluster OCuLUS des Paderborner PC2 und kommt so neben den Antragstellern selbst auch anderen Forschungsgruppen an Hochschulen des Landes zugute.
DFG-Verfahren Forschungsgroßgeräte
Großgeräte Hochleistungsrechencluster (HPC-Cluster)
Gerätegruppe 7000 Datenverarbeitungsanlagen, zentrale Rechenanlagen
Antragstellende Institution Universität Paderborn
Detailinformationen
Ergebnisse
Zentrales Thema der Arbeitsgruppe ist die Kombination von parameterfreien Elektronenstrukturrechnungen mit der Simulationen spektroskopischer Signaturen. Auf diesem Gebiet wurde der Rechencluster auch ganz überwiegend eingesetzt. Die numerischen Rechnungen basieren auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Verbindung mit verschiedenen Näherungen für die elektronische Austausch- und Korrelationswechselwirkung sowie Pseudopotentialen zur Modellierung der Elektron-Ion-Wechselwirkung. Dazu wurden und werden in Fortran95 und C geschriebene Programmpakete wie VASP und Quantum ESPRESSO benutzt, die mittels MPI sehr effizient parallelisiert sind. Mittels Gesamtenergieoptimierungen wurden Beiträge zur Aufklärung der atomaren Struktur, der Energetik, den Schwingungseigenschaften und der Thermodynamik von Festkörpern, Nanokristallen, Molekülen, Oberflächen und Grenzflächen geleistet, wobei insbesondere Halbleitern, Ferroelektrika, organisch-anorganischen Hybridsystemen und quasieindimensionalen Strukturen untersucht wurden. Aufbauend auf der DFT-Beschreibung des Grundzustandes wurden zudem Dyson- und Bethe-Salpeter-Gleichungen für Anregungszustände gelöst. Damit wurden die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften insbesondere von Volumenhalbleitern, aber auch von Oberflächen und Nanostrukturen berechnet. Um optische Anregungen von Punktdefekten zu berechnen, wurde außerdem die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) genutzt. Aktuelle methodische Entwicklungen im Berichtszeitraum betrafen einerseits die Modellierung relativistischer Effekte wie z.B. der Spin-Bahn-Kopplung sowie die Berechnung magnetischer Signaturen, wobei insbesondere die numerische Behandlung der Nullfeldaufspaltung für Systeme mit Translationssymmetrie bemerkenswert ist. Besonders stolz sind wir auf die Modellierung der Zeitabhängigkeit optisch getriebener Phasenübergänge mittels ab-initio Molekulardynamik auf angeregten Potentialenergieflächen, welche mittels constrained-DFT bestimmt wurden. Das dadurch erzielte, tiefgründige und detaillierte Verständnis der Kopplung von atomaren und elektronischen Freiheitsgraden bei Photoreaktionen fand eine starke Resonanz in der wissenschaftlichen Community und konnte hochrangig in Nature und Science publiziert werden. (2017) Solving the Bethe-Salpeter equation for the second-harmonic generation in Zn chalcogenides. Phys. Rev. B (Physical Review B) 96 (23) 235206 A. Riefer and W.G. Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.235206) “LiNbO3 surfaces from a microscopic perspective”, J. Phys.: Condens. Matter 29, 413003 (2017) S. Sanna and W.G. Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa818d) “Optical properties of titanium-doped lithium niobate from timedependent density-functional theory”, Phys. Rev. Materials 1, 034401 (2017) M. Friedrich et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.1.034401) “Optically excited structural transition in atomic wires on surfaces at the quantum limit”, Nature 544, 207 (2017) T. Frigge et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature21432) “Calculation of spin-spin zero-field splitting within periodic boundary conditions: Towards all-electron accuracy”, Phys. Rev. B 97, 115135 (2018) T. Biktagirov et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.115135) “Spin pairing versus spin chains at Si(553)-Au surfaces“, Phys. Rev. B 98, 121402 (R) C. Braun et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.121402) ”Polytypism driven zerofield splitting of silicon vacancies in 6H-SiC“, Phys. Rev. B 98, 195204 T. Biktagirov et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.195204) ”Signatures of transient Wannier-Stark localization in bulk gallium arsenide“, Nature Commun. 9, 2890 (2018) C. Schmidt et al., (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-018-05229-x) “Beyond the molecular movie: Dynamics of bands and bonds during a photoinduced phase transition“, Science 362, 821 (2019) C. W. Nicholson et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aar4183) “Excited-state band mapping and momentum-resolved ultrafast population dynamics in In/Si(111) nanowires investigated with XUV-based time- and angleresolved photoemission spectroscopy”, Phys. Rev. B 99, 155107 (2019) C. W. Nicholson et al. (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.155107)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)