Forschungsbericht 2010 - Deutsches Klimarechenzentrum

Ein Jahr des Umbruchs und der Erneuerungen

Autoren
Biercamp, Joachim; Böttinger, Michael; Meyer, Jana
Abteilungen
Deutsches Klimarechenzentrum, Hamburg
Zusammenfassung
2009 war das Jahr des Umbruchs: Im Frühjahr ging der neue Supercomputer und das neue Datensilo in Betrieb, eine neue Geschäftsführung nahm ihre Arbeit auf und das neue Gebäude wurde bezogen. Höhepunkt war die DKRZ-Einweihung mit hochrangigen Gästen im Dezember. Der neue Supercomputer ermöglicht es, weitaus komplexere Simulationen durchzuführen, wie beispielsweise die Berechnungen für den kommenden IPCC-Bericht AR5 oder das STORM-Experiment. Der DKRZ-Geschäftsführer Ludwig erforscht die Energieeffizienz von Hochleistungsrechnern, sodass sich das DKRZ nun auch wissenschaftlich engagiert.
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Abb. 1: Blick in den Rechnerraum des DKRZ auf die Rechnenknoten-(links) und Festplattenschränke (rechts) des neuen IBM-Power6-Supercomputers.

Das neue DKRZ

2009 war für das DKRZ ein Jahr der Erneuerungen: Im April wurde der neue Höchstleistungsrechner „Blizzard“ – ein IBM Power6-System in Betrieb genommen (Abb. 1). Nachfolgend wurde auch das Datenarchiv am DKRZ aufgerüstet.

Am 4. Mai 2009 übernahm Prof. Dr. Thomas Ludwig die wissenschaftlich-technische Geschäftsführung des DKRZ. Ihm steht Michael Truchseß als kaufmännischer Geschäftsführer zur Seite.

Im Herbst wurde das neue DKRZ-Gebäude in der Bundesstraße 45a bezugsfertig (Abb. 2). Der Umzug der Mitarbeiter des DKRZ in ihre neuen Büros erfolgte am 16. Oktober 2009.

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Abb. 2: Das neue DKRZ-Gebäude in der Bundestrasse 45a in Hamburg.

Krönender Abschluss des Jahres bildete die feierliche Eröffnung des neuen Gebäudes und des neuen Rechnersystems mit der Bundesministerin für Bildung und Forschung Prof. Dr. Annette Schavan und Hamburgs Erstem Bürgermeister Ole von Beust am 10. Dezember 2009, zu der mehr als 300 hochrangige Gäste aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik gekommen waren.

Am Ende der offiziellen Grußworte gaben Prof Thomas Ludwig, Prof. Dr. Annette Schavan und Ole von Beust den symbolischen Startschuss für die Berechnungen zum neuen IPCC Sachstandsbericht AR5 (Abb. 3).

Die Video-Zusammenschnitte des Presserundgangs durch die Rechnerräume mit Ministerin Schavan sowie die Festansprachen können auf der Internetseite des DKRZ angesehen werden.

 

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Abb. 3: Prof Thomas Ludwig (Wissenschaftlich-technischer Geschäftsführer des DKRZ), Prof. Dr. Annette Schavan (Bundesministerin für Bildung und Forschung ) und Ole von Beust (Erster Bürgermeister der Freien und Hansestadt Hamburg) geben den symbolischen Startschuss für die Berechnungen zum neuen IPCC Sachstandsbericht AR5

Neben Führungen zum neuen Höchstleistungsrechner und zu den Datensilos des DKRZ konnten die Gäste auf einer VR-Powerwall Klimasimulationen in 3D erleben. Außerdem präsentierten das Max-Planck-Institut für Meteorologie, Chemie und Biogeochemie, das Institut für Küstenforschung der GKSS sowie das neue Climate Service Center, das Alfred-Wegener-Institut für Meeres- und Polarforschung und der Excellenzcluster CliSAP Ergebnisse ihrer bisherigen Klimasimulationen.

Die überwältigende Medienresonanz, die sich schon durch die sieben Kamerateams und etwa 40 weitere Medienvertreter bei der Veranstaltung zeigte, führte zu weit mehr als 250 Berichten in Fernsehen, Radio und Printmedien im In- und Ausland. Eine Auswahl der Berichte sind im Pressespiegel auf der DKRZ-Seite aufgeführt.

Neue Möglichkeiten mit der „Blizzard“

Der fünfte IPCC- Sachstandsbericht

Die international leistungsfähigsten Klimaforschungseinrichtungen führen regelmäßig umfangreiche CO2-Szenarienrechnungen für die Statusberichte des Weltklimarats durch. Die Veröffentlichung des nächsten Sachstandsberichtes AR5 (Assessment Report 5) ist für 2013-2014 geplant. Der überwiegende Teil der deutschen AR5-Simulationen wird im kommenden Jahr mit dem am Max-Planck-Institut für Meteorologie entwickelten Modell auf den Supercomputern des DKRZ berechnet.

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Abb. 4: Modellauflösung der Simulationen für die IPCC Sachstandsberichte (links: AR4, rechts: AR5).

Der neue Supercomputer ermöglicht deutlich höhere räumliche Auflösungen als bei vorangegangenen Szenarienrechnungen (Abb. 4). Die atmosphärische Modellkomponente arbeitet mit einer horizontalen Auflösung von unter 100 km (gegenüber 180 km zuvor). Das Ozeanmodell löst horizontal mit bis zu 0,4 Grad auf, was etwa 45 km entspricht. Mit dieser feineren Auflösung können nun physikalische Prozesse wie zum Beispiel starke Stürme oder Ozeanwirbel realistischer simuliert werden. Zusätzlich berechnet das neue Modell weitere physikalische Prozesse, insbesondere in der Landbiosphäre und der Biogeochemie im Ozean, um einen vollständigen Kohlenstoffzyklus zu simulieren.

Der Berechnungssaufwand für diese neuen Simulationen mit diesem deutlich verbesserten Modell beträgt etwa das 100-fache der vorherigen Untersuchungen.

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Abb. 5: Simulation von Temperatur und Wolken.

 

STORM

Die neuen Systeme zur Berechnung und Datenverwaltung am DKRZ ermöglichen es den Wissenschaftlern, komplexe Modellexperimente zu entwerfen, durchzuführen und zu evaluieren, die vor wenigen Jahren noch gänzlich unmöglich gewesen wären.

Im Rahmen des STORM-Experiments bündelt ein Konsortium von deutschen Institutionen seine Kräfte und entwickelt ein gekoppeltes Klimamodell mit noch nie dagewesener räumlicher Auflösung, das auch Wetter in der Atmosphäre und entsprechend kleinräumige und hochfrequente Vorgänge in Ozean und Eis umfasst. Eine wichtige Forschungsfrage, die hier beantwortet werden soll, ist, zu welchem Grad die Klimasimulationen von explizit aufgelösten kleinskaligen Prozessen abhängen. Beispiele für die komplexe Struktur solcher Phänomene zeigen die Abbildung 5, welche simulierte Temperatur und Wolken darstellt, und die Abbildung 6, die die oberflächennahe Ozeanströmung um den Südpol herum beschreibt.

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Abb. 6: Zirkumpolarstrom in der Südhemisphäre.

Forschungen zur Energieeffizienz von Hochleistungsrechnern

Prof. Thomas Ludwig, wissenschaftlich-technischer Geschäftsführer, hat neben seiner Tätigkeit am DKRZ eine Professur für Wissenschaftliches Rechnen an der Universität Hamburg. Seine aktuellen Forschungen fokussieren vor allem auf das Thema Energie-Effizienz von Hochleistungsrechnern. 

Hochleistungsrechner bestehen aus hunderttausenden elektronischen Komponenten. Sie erfordern viel Strom für ihren Betrieb und produzieren viel Abwärme (Abb. 7). Die Energieversorgung und die Kühlung heutiger Supercomputer stellt ein deutliches Hindernis für ein künftiges Anwachsen der Rechenleistung dar. Ludwigs Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Methoden, ungenutzte Hardware selektiv und zeitweilig auszuschalten, um Supercomputer noch effizienter und nachhaltiger machen. 

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Abb. 7: Warme und kühle Bereiche der Computerschränke verdeutlichen die unterschiedliche Auslastung des Systems.


Zusätzlich arbeiten das DKRZ und seine Mitarbeiter an Methoden, um den Stromverbrauch der einzelnen Anwendungen zu senken. Während bislang hauptsächlich der Faktor Zeit bis zum Erreichen eines wissenschaftlichen Ergebnisses entscheidend war, spielt zukünftig auch der Energieverbrauch eine wesentliche Rolle. Damit wird sich das DKRZ zusätzlich zu seiner wichtigen Funktion als Dienstleister auch selbst wissenschaftlich engagieren. Am DKRZ wurde eine Stelle ausgeschrieben, die sich mit dem Energiemanagement des Rechenzentrums befasst.

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