3xa

Partikelsimulationen haben sich als unverzichtbares Instrument für Wissenschaft und Anwendungsforschung etabliert. Aus ihnen lassen sich neue Erkenntnisse zu Materialien gewinnen und Prozesse und Produkte optimieren, beispielsweise in der chemischen Industrie.

Die Grundlage von Partikelsimulationen bilden Interaktionspotenziale, die die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Partikeln beschreiben. Besonders verbreitet sind hierbei Paarwechselwirkungsmodelle. Ein Hauptargument für den Einsatz von Paarpotenzialen liegt in ihrer effizienten Berechenbarkeit mit hochskalierbaren Algorithmen. Die Begrenzung auf additiv paarweise Wechselwirkungen stellt jedoch eine physikalisch nur begrenzt valide Näherung dar. Dies führt zum Beispiel bei realen Systemen polarer Stoffe – die in vielen Anwendungsfällen der chemischen Industrie auftreten – zu ungenauen Stoffdaten. Die Notwendigkeit der Betrachtung echter Mehrkörperwechselwirkungen wurde jedoch aufgrund der extremen Rechenintensität bis heute in Partikelsimulationen nur äußerst selten berücksichtigt.

Das 3xa Projekt entwickelt interdisziplinär und holistisch skalierbare Methoden zur Berechnung von Dreikörperwechselwirkungen, deren Einsatz exemplarisch für Partikelsimulationen demonstriert wird. Um möglichst große Systeme simulieren zu können, optimiert das HLRS gemeinsam mit den Projektpartnern die Skalierbarkeit auf Core- und Knotenebene sowie auf Interknoten-Ebene.

Zur Ressourcenoptimierung soll für Szenarien, die lediglich lokal eine akkurate Dreikörpermodellierung benötigen, zusätzlich eine hochskalierbare Adaptive Resolution-Methodik entwickelt werden, die Zwei- und Dreikörper-Modellierung miteinander verschmilzt. Diese Entwicklungen werden Einblicke in das breite Feld von dreikörperbasierten Interaktionsmodellen liefern und zudem unmittelbar mithilfe heterogener Exascale-Rechensysteme signifikante Fortschritte in exemplarischen Anwendungen aus der chemischen Industrie erzielen.