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01.09.1989 - 

Die Geschicke ganzer Galaxien - modelliert von 576 Computern:

Jumbo-lnstallation setzt neue Rekordmarken

01.09.1989

Von CW-Mitarbeiter Egon Schmidt

Über das Werden und Vergehen des Universums, der einzelnen Galaxien und der individuellen Sterne läßt sich's zwar trefflich sinnieren, wie Tausende von Jahren astronomischen Denkens bezeugen. Doch will man konkret nachrechnen, was in den Welten des Raums so alles geschehen mag, dann bedarf es schon höchst raffinierter Werkzeuge. Wie etwa einer neuen Installation der New Yorker Columbia-Universität, die 576 Rechner von jeweils etwa der Power einer Cray 1 umfaßt.

Das Simulieren des Werdens und Vergehens einzelner Sterne und der riesigen Galaxien, zu denen sie sich zusammenballen, ist für die Computer-Astrophysik von heute ein höchst wichtiges Werkzeug zum Gewinnen neuer Erkenntnisse. Denn indem die Forscher vergleichen, was sie einerseits im realen Weltall beobachten und was für Geschick andererseits ihr, durch komplizierte Gleichungen repräsentiertes, Computer-Universum erleidet - durch diesen Vergleich also können sie schrittweise immer feinere Modellvorstellungen von wichtigen kosmologischen Entwicklungen generieren.

Die neue Rechneranlage, in der Milliarden von realen Jahren zu Minuten schrumpfen und die schon wichtige Aufschlüsse über völlig unterschiedliche, scheinbar jedoch gleichermaßen plausible Arten des Werdens und Vergehens von Sternen geliefert hat, ist das Werk von drei Jahren Entwicklungsarbeit. Hinter ihr stehen vor allem der Astrophysiker Kevin H. Prendergast sowie die Mathematiker David V. und Gregory V. Chudnovsky. Für ihr neues Rekordsystem namens GF11 erarbeiteten Prendergast und seine Kollegen ursprünglich ein zweidimensionales Modell zur Berechnung der Wechselwirkungen der Sterne und der Gaswolken innerhalb einer Galaxie. Es basierte auf einem quadratischen Gitter von 100 mal 100 Zeilen beziehungsweise Spalten, das die computerinterne Darstellung eines Galaxien-Querschnitts von etwa 1000 Lichtjahren Seitenlänge aufnehmen sollte.

Für die Berechnungen wurden die Sterne einerseits sowie die Gaswolken andererseits einfach so behandelt, als hätte man hier, wie auch bei Simulationen in der konventionellen Strömungsmechanik, zwei miteinander vermischte Flüssigkeiten unterschiedlicher Konsistenzen vor Augen.

Die Art von "Fluid"-Berechnungen würde auf einem Supercomputer "herkömmlicher" Machart mindestens Tage, wenn nicht vielleicht sogar Wochen erfordert haben. Doch der GF11 wurde mit den gleichen Aufgaben in kürzester Frist fertig. Daß der GF11 heute "wissenschaftliche Berechnungen schneller als jeder andere Computer ausführen kann", wie David Chudnovsky sagt, liegt neben seiner schieren Power in erster Linie an der raffinierten und teilweise in mühevoller "Handarbeit" ausgeführten Parallelisierung der einzelnen Algorithmen. Denn erst dadurch wurde es möglich, daß die einzelnen Rechnerknoten weitaus die meiste Zeit hindurch parallelgleichzeitig beschäftigt sind - und die gegebene Maschine somit optimal ausgelastet wird.

In einer Stunde zwei Milliarden Jahre

Ein wichtiges Werkzeug der Wissenschaftler war im Zuge der Entwicklung und Verfeinerung des Programm-Codes auch ein Computer-Algebra-System namens Scratchpad II, das der raschen Umsetzung der anfänglich erarbeiteten Gleichungssysteme in effizient arbeitende Programmcode diente.

Zur Illustration der Rechenleistung des neuen Giganten berichten die Columbia Forscher, allein schon ein Viertel des Systems könne simultan 150 zweidimensionale Simulationen der skizzierten Art ausführen und dabei reale, praktisch nutzbare Rechenleistungen von etwa 3 Milliarden Gleitkomma-Operationen pro Sekunde erreichen. Und dadurch wiederum habe man nun die Möglichkeit, in nur einer Stunde Rechenzeit rund zwei Milliarden Jahre galaktischer Evolution durchzuspielen.

Nachdem die Maschine sich inzwischen bei zweidimensionalen Simulationen von Galaxien bewährt hat, soll sie nunmehr an neu erarbeiteten, dreidimensionalen Algorithmen so richtig zeigen, was in ihr steckt. Es sollen dann nämlich kubische Modelle mit je 100 Elementen Seitenlänge in Angriff genommen werden, die teilweise sogar komplette Galaxien darstellen werden.

Bei diesen kubischen Modellen, so zeichnet sich jetzt schon ab, wird gar nicht mal die eigentliche Berechnungsarbeit das Hauptproblem sein. Sondern viel problematischer wird es werden, die Fülle der errechneten Daten hinterher in einer Gestalt aufzubereiten, daß der Astrophysiker dann auch "sehen" kann, was bei all der Arbeit herauskam.

Eine Idealvorstellung der Astrophysiker wäre in diesem Zusammenhang ein Darstellungssystem, das die "errechnete" Galaxie in einer Gestalt zeigt, daß man sozusagen einens mulierten Raumflug durch sie ---t durch vollführen kann. Doch bei aller Power des GF11-Giganten: Allein für das Erarbeiten der nötigen Bilddarstellungen, so wissen die Experten, würde man gleich eine ganze Reihe von GP-11-Systemen brauchen - also einen Rechner mit mehreren Dutzend Gigaflops Leistung. Und nicht "bloß" mit einem.