Experiment und Theorie ergänzend, haben Simulationen immer zunehmender Bedeutung in Materialforschung und Lebenswissenschaften. Simulationen helfen beobachtete Phänomene zu verstehen und sogar sagen Eigenschaften und Vorgänge in komplexen Systemen vorher. Besonders herausfordernd ist die Suche nach neuen Materialien und besonderen physikalischen Effekten, für welche eine experimentelle Erkundung ohne die von Simulationen gewonnenen Erkenntnisse unerschwinglich sein könnte.

Die Berechnung von Eigenschaften nanostrukturierter Materialien ist sehr aufwendig und erfordert den Einsatz von Hochleistungsarchitekturen und skalierbaren Modellen. Hierzu ist die Anpassung und Optimierung von Programmcodes auf hochleistungsfähige Multicore und hybride CPU/GPU Architekturen unerlässlich. Insbesondere stellen diese neuartigen Rechnerarchitekturen für Entwickler Herausforderungen dar, wie etwa das Management der Datenlokalität und der Rechenlastverteilung zu optimieren. Die letzteren Aspekte sind auch in unseren Querschnittsaktivitäten ausgeprägt. Andererseits haben neue Materialien sehr komplexe Morphologie, welche eine Behandlung auf verschiedenen Größen- und Zeitskalen erforderlich macht. Auf der kürzesten Zeit- und Längenskala (Femtosekunden, Nanometer) werden die Strukturen mit atomarer Auflösung modelliert und Eigenschaften werden quantenmechanisch z.B. mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet. Auf längeren Skalen werden die Systeme vorwiegend klassisch mit Methoden wie klassische Molekulardynamik (MD) behandelt. Auf einer noch längeren Skala (>Millisekunden, >Mikrometer) müssen großkörnige sowie Kontinuum-Methoden (z. B. Finite Elemente) eingesetzt werden.

Das SimLab NanoMikro stellt eine Forschungs- und Support-Infrastruktur als Schnittstelle zwischen den Hochleistungsrechneranlagen und der Communities der Nanowissenschaft und Materialforschung zur Verfügung. Hauptaufgaben des SimLab bestehen in der Entwicklung, Management und effizientem Einsatz von Simulationscodes auf Hochleistungsrechnern, Entwicklung neuer effizienter Algorithmen und Bereitstellung integrierter Anwendungen und Lösungen als Mehrwertdienste für die wissenschaftliche Community. Thematisch richten sich die Aktivitäten des SimLab NanoMikro an das KIT-Zentrum NanoMikro.

Der Support wird über den SCC Service Desk im Rahmen des SCC Dienstes Wissenschaftliches Rechnen in der Forschung angeboten.

Unterstützte Software: Turbomole, VASP, NAMD, Amber, und Gromacs

Entwickelte Software

• POEM - Protein Optimization with free Energy Methods
• POEM@HOME - ein verteiltes Rechnersystem für POEM-Anwendungen
• DEPOSIT - eine Anwendung für Erzeugung von Morphologien mit atomarer Auflösung
• ArFlock - eine Bibliothek für massiv parallele Partikelschwarmoptimierung (PSO)

• Multiskalige Modellierung und Simulation von Nanomaterialien

• Rechnergestützte Proteinstrukturvorhersage

• Einsatz neuer hybrider HPC-Architekturen wie CPU/GPGPU (General-Purpose Graphical Processing Units) für die unterstützten und entwickelten Simulationscodes

   

Die Aktivitäten des SimLab NanoMikro werden im Rahmen folgender gemeinschaftlicher Projekte durchgeführt:

• MMM@HPC "Multiscale materials modelling on high performance computer architectures" (FP7 Projekt)
  
   

• HPC-5 "Hochdurchsatz-Proteinstrukturvorhersage auf hybriden und verteilten Höchstleistungs-Architekturen" – ein Gemeinschaftsprojekt mit der Gruppe von Herrn Prof. Dr. W. Wenzel, Institut für Nanotechnologie (INT) gefördert von der Baden-Württemberg Stiftung.

"Mehrskalige Modellierung und Simulation nanostrukturierter Materialien für Energiespeicherung und -Umwandlung" – ein Gemeinschaftsprojekt mit Herrn Prof. Dr. G. Schön und dem Center für Funktionale Nanostrikturen (CFN) in Karlsruhe. 

Internationale Kooperationen

• CCPN: The Collaborative Computing Project for NMR
• MMM@HPC: Multiscale Materials Modelling on High Performance Computer Architectures

Kooperationen am KIT

• AG K.-P. Bohnen, Institut für Festkörperphysik (IFP)
• AG W. Wenzel, Institut für Nanotechnologie (INT)
• AG F. Evers, Theorie Kondensierter Materie (TKM) und Institut für Nanotechnologie (INT)
• AG B. Luy, Institut für Biologische Grenzflächen II und Institut für Organische Chemie