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Forschungsbericht 1997/98
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22. Institut für die Simulation komplexer Systeme (ISKOS)

Institut für die Simulation komplexer Systeme (ISKOS)

Homepage: http://www.uni-bielefeld.de/iskos

I. Strukturdaten

(a) beteiligte Wissenschaftler

Prof. Dr. F. Karsch, Prof. Dr. V. Böhm, PD Dr. W. Eimer,
Prof. Dr. A. Knoll, PD. Dr. E. Laermann, Prof. Dr. B. Petersson
(geschäftsführender Leiter), Prof. Dr. H. Satz

Wissenschaftliche Mitarbeiter:

S. Bilke, H. Brune, Dr. J. Fingberg, O. Kaczmarek, C. Legeland,
M. Lütgemeier, T. Mendes, C. Oldiges, Dr. M. Plagge, B. Sturm, T. Tönsing,
I. Wetzorke


(b) Eingeworbene Drittmittel
Von der DFG wurde in Zusammenhang mit dem DFG-Forschungsschwerpunkt eine volle Stelle für 4 Jahre für den Systemadministrator der Anlage zur Verfügung gestellt.

Weiter wurden aus Landesmitteln zwei halbe Stellen auf drei Jahre zur Verfügung gestellt. Diese Stellen haben u.a. dazu gedient, spezielle Anwendungssoftware zu erstellen. Einer der Angestellten, Herr Dr. Sven Bilke, hat auch eine PC-Farm konzipiert und mit finanzieller Unterstützung des Rechenzentrums gebaut.

Gelder in Zusammenhang mit den oben genannten Landesmitteln (10.000 DM/Jahr), sowie aus dem ZiF-Projekt und verschiedenen DFG-Projekten wurden genutzt, um Kolloquiumsvorträge und andere Ausgaben, insbesondere für Workstations zu bezahlen.

Für ein gemeinsames Forschungsprojekt mit dem PC2 der Universität Gesamthochschule Paderborn wurden Personalmittel für eine Mitarbeitersteller (82.000,-DM) und Sachmittel (6.000,-DM) aus einem Leibniz Projekt (Prof. B. Monien, Paderborn) zur Verfügung gestellt.

Für die Bereitstellung und Vorführung von Demonstrationsprogrammen zur Simulation von Quantenfeldtheorien hat das ISKOS 6000,-DM von der Firma Quadrics Supercomputers World (QSW) erhalten.



II. Organisatorische Aspekte und Schwerpunkte der Forschung

Das Institut für die Simulation komplexer Systeme (ISKOS) wurde im Herbst 1995 ausgehend von einer gemeinsamen Initiative der Fakultät für Physik und der Technischen Fakultät gegründet. Geschäftsführender Leiter des ISKOS ist derzeit Prof. Dr. Bengt Petersson (Fakultät für Physik).

Das ISKOS ist ein Kompetenzzentrum für die Simulation Komplexer Systeme auf Höchstleistungsrechnern und der damit verbundenen Probleme der Entwicklung geeigneter Algorithmen und ihrer Adaption auf parallele Systeme. Es bietet ein Forum zur Diskussion und Analyse gemeinsamer Strukturen von komplexen Systemen wie sie in unterschiedlichen Wissenschaftsdisziplinen untersucht werden.

Das ISKOS betreibt massiv parallele Rechner vom Typ Quadrics, die zusammen eine Rechenleistung von mehr als 25 Gflops haben. Die eine Hälfte dieser Anlage wurde ursprünglich von der DFG dem Schwerpunkt "Dynamische Fermionen" zur Verfügung gestellt. Durch die Zusage des ISKOS, diese Computer weiter zu betreiben, konnte die Anlage nach dem Ende des Schwerpunktes im Sommer 1997 in Bielefeld bleiben. Gruppen von anderen Universitäten, wie z.B. Leipzig, Münster und Wuppertal führen darauf auch weiterhin Projekte durch. Darüber hinaus war es für die Ausbildung von Diplomanden und Doktoranden außerordentlich wichtig, diese Anlage in Bielefeld behalten zu können. Es ist eine der größten für Forschungszwecke verwendeten Rechneranlagen an einer deutschen Universität.

Ferner wurden zwei sogenannte PC-Farmen von Mitgliedern des ISKOS konzipiert und in Betrieb genommen, eine davon im Rechenzentrum der Universität und eine an der Fakultät für Physik.

Diese PC-Farmen sind im Verhältnis zu den Kosten außerordentlich leistungsfähig. Sie sind besonders geeignet für die Simulation ungeordneter, komplexer Systeme, die nicht an Parallelrechner angepaßt werden können, aber sehr wichtig z. B. in der Biologie und der Physik sind.

Das ISKOS stellt seine Kompetenz all denjenigen Gruppen der Universität Bielefeld zur Verfügung, die rechenaufwendige Probleme auf sehr leistungsfähigen Parallelrechnern, insbesondere von Typ Quadrics, bearbeiten wollen.

Jedes Jahr wird ein einführendes, fakultätsübergreifendes Blockpraktikum zum parallelen Rechnen durchgeführt, das insbesondere von den Studenten der Physik und der Naturwissentschaftlichen Informatik sehr gut angenommen wird.

Ferner werden regelmäßig (ca. einmal pro Monat) Kolloquien veranstaltet, die sich an alle an Komplexen Systemen interessierte Personen, sowohl aus dem Lehrkörper als auch aus den Reihen der Studenten.

Ein wichtiger Teil der Aktivitäten besteht in der Förderung der Zusammenarbeit mit anderen Einrichtungen ähnlicher Art, insbesondere dem "Paderborn Center for Parallel Computing, PC2, in Paderborn, dem Institut für Angewandte Informatik (IAI) in Wuppertal und dem Parallelrechner-Institut des Desy-Zeuthen (NIC-Zeuthen). Es bestehen auch enge Kontakte mit dem INFN, Italien, das die Quadricsrechner konzipiert hat, ebenso wie mit der Firma QSW, die die Rechner produziert. Im Rahmen eines Kooperationsabkommens zwischen DESY, QSW und den Universitäten Bielefeld und Wuppertal (ACOMO) wird ein Prototyp der neuen Computergeneration gratis dem ISKOS der Universität Bielefeld zur Verfügung gestellt. Es besteht ferner Interesse an einer weiteren Zusammenarbeit in der Entwicklung und Anwendung von spezialisierten Systemen mit sehr großer Rechenleistung, die in den nächsten 4-5 Jahren bis zu 30 Tflops erreichen werden.

Zwischen dem ISKOS und dem "Paderborn Center for Parallel Computing PC2", Paderborn, ist eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit zustande gekommen. Dies hat zu einem gemeinsamen ZiF-Projekt "Multi-Scale Phenomena: The Simulation of Complex Systems on Massively Parallel Computers" in der Zeit von 1996 bis 1998 geführt hat. Es wurden viele international anerkannte Forscher auf dem Gebiet der Simulation Komplexer Systeme zu kürzeren oder längeren Aufenthalten eingeladen. Im Rahmen dieses Projekts haben auch zwei Workshops stattgefunden.

Weiterhin betreibt das Hochschulrechenzentrum eine sehr schnelle Datenleitung zwischen Bielefeld und Paderborn, die neue Formen der Zusammenarbeit (Meta-Computing) zwischen dem ISKOS und PC2 ermöglicht. Sowohl ISKOS als auch PC2 haben sich für das Zustandekommen dieser Leitung eingesetzt.

Die Datenleitung wurde am 22.06.98 eingeweiht und macht es möglich, die Rechner in Bielefeld und Paderborn, die von unterschiedlicher, komplementärer Architektur sind, miteinander so zu verbinden, so daß Teile eines Problems auf dem einen und andere Teile auf dem anderen Rechner behandelt werden können, und zwar ohne Verzögerung. Diese Art von Metacomputing ist sehr aktuell und eine vielversprechende Zukunftsmöglichkeit. Es ist sehr erfreulich, daß so eine Pionieranlage in unserer Region zustande gekommen ist.

Schwerpunkte der Forschung

In den verschiedensten Bereichen der Forschung werden heute Simulations-Methoden zur Untersuchung komplexer Systeme, die wegen ihrer komplizierten Wechselwirkungen auf unterschiedlichen Skalen mit üblichen analytischen Methoden nicht beschreibbar sind, eingesetzt. Dabei reichen die Fragestellungen von den nun schon klassischen Problemen der Dynamik und Phasenstruktur von Vielteilchensystemen bis hin zu heute sehr aktuellen Problemen wie dem kritischen Verhalten von fluktuierenden Membranen, Spingläsern, chaotischen und selbstorganisierten Systemen oder auch neuronalen Netzen. Das Aufkommen dieser neuen Fragestellungen aus neuen Fachrichtungen ist eng gekoppelt an den rapiden Fortschritt in der Computertechnologie. Probleme, die früher als unlösbar galten, können heute numerisch untersucht werden.

Die klassischen Simulationstechniken (Monte Carlo Algorithmen, Molekulardynamik, Finite-Elemente Methoden) finden sich heute in vielen kommerziellen Programmpaketen und werden industriell genutzt (Aero- und Hydrodynamik, Meteorologie, Erdbebenforschung, u.v.m.). Die Weiterentwicklung dieser Methoden profitiert stark von Entwicklungen in benachbarten naturwissenschaftlichen Disziplinen (Physik, Chemie, Mathematik) und von neuartigen Fragestellungen anderer Fachrichtungen (Biologie, Linguistik, Soziologie). Gleichzeitig eröffnen sich durch die stetige Leistungssteigerung moderner Supercomputer Fragestellungen einer numerischen Untersuchung, die früher als unlösbar galten. Dabei erfordern die neuartigen, wenig standardisierten Strukturen heutiger Supercomputer (massiv parallele Rechner) allerdings häufig ein Umdenken bei der (Weiter)-Entwicklung von Simulationstechniken - neuartige Algorithmen können auf massiv parallelen Rechnern realisiert werden; die üblichen vektoriellen Algorithmen sind nicht mehr effizient. Dies erfordert in erhöhtem Maße eine Zusammenarbeit unter den Nutzern von Supercomputern und eine starke Kollaboration bei der Softwareentwicklung für neue Rechnerarchitekturen. Nur so kann eine optimale Nutzung neuester Computertechnologie im oberen Leistungsbereich erreicht werden.

Das ISKOS bietet die Möglichkeit, komplexe Fragestellungen mit modernsten Supercomputern zu untersuchen und Kontakte zu anderen Fachdisziplinen aufzubauen, in denen ähnlich geartete Probleme analysiert werden. Ein Schwerpunkt der Forschung am ISKOS bildet derzeit die Simulation der Dynamik und Thermodynamik von stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen, die von der Computer-Simulations-Gruppe der Fakultät für Physik untersucht werden.

Die Forschungsthemen der letzten Jahre bezogen sich dabei u.a. auf die Untersuchung der

  • Thermodynamik stark wechselwirkender Systeme
  • Dynamik fluktuierender Membranen
  • Mechanismen spontaner Symmetriebrechung
  • Algorithmen für die Simulation von Phasenübergängen

    Diese Projekte sind im Forschungsbericht der Fakultät für Physik eingehender beschrieben.

    Die Simulation komplexer Systeme in den unterschiedlichsten Fachdisziplinen ist auch das zentrale Thema einer Forschergruppe, die von Mitarbeiter des ISKOS (Prof. F. Karsch und Prof. H. Satz) sowie dem Paderborner Zentrum für paralleles Rechnen (Prof. B. Monien) an das Institut für Interdisziplinäre Forschung (ZiF) eingeladen wurde. Das damit verbundene, mehrjährige Forschungsprojekt zum Thema "Multi-Scale Phenomena: Simulation of complex systems on massively parallel computers" hat im Herbst 1996 begonnen. Einen Überblick über die Spannweite der angesprochenen Themen liefern die publizierten Berichte von der Eröffnungstagung.



  • III. Drittmittelprojekte

    Schwerpunktprogramm "Dynamische Fermionen" der DFG: B. Petersson, J. Engels, F. Karsch und H. Satz, "Dynamische Fermionen in der Quantenchromodynamik bei endlicher Temperatur und in Theorien fluktuierender Flächen"

    DFG: F. Karsch, "2nd German-Japanese Workshop on the Simulation of Quantum Field Theories on Massively Parallel Computer"


    IV. Wissenschaftliche Veröffentlichungen

    • Proceedings of the International Conference "Multiscale Phenomena and Their Simulation", Bielefeld, Germany, 30 Sept. - 4 Oct. 1996, F. Karsch, B. Monien, H. Satz (eds.), World Scientific (1997)
    • Proceedings of the International Workshop on "QCD at Finite Baryon Density", Bielefeld, Germany, 27 - 30 April 1998, F. Karsch, M.P. Lombardo (eds.), Nucl. Phys. A642
    • M.-P. Lombardo, The critical points of lattice QCD with a non-zero quark density, ZIF-MS-01/96, hep-lat/9611004
    • S. Collins, R.G. Edwards, U.M. Heller, J. Sloan, Reducing discretization errors in lattice QCD spectroscopy, Proceedings of the Int. Conference on Multiscale Phenomena and Their Simulation, Bielefeld, Germany, 30 Sep - 4 Oct 1996, eds. F. Karsch, B. Monien, H. Satz, world Scientific, 1997, 189
    • B.A. Berg, J. Riedler, Signal Confidence Limits from a Neural Network Data Analysis, Comput. Phys. Commun. 107 (1997) 39
    • I.M. Barbour, S.E. Morrison, E.G. Klepfish, J.B. Kogut, M.-P. Lombardo, The Critical Points of Strongly Coupled Lattice QCD at Nonzero Chemical Potential, Phys. Rev. D56 (1997) 220
    • I.M. Barbour, S.E. Morrison, E.G. Klepfish, J.B. Kogut, M.-P. Lombardo, Results of finite Density QCD, Nucl.Phys. Proc. Suppl. A60 (1998) 220
    • F. Karsch, On QCD Thermodynamics with Improved Actions, Nucl. Phys. Proc. Suppl. A60 (1998) 169
    • M.J. Bowick, V. John, G. Thorleifsson, The Hausdorff Dimension of Surfaces in Two-Dimensional Quantum Gravity Coupled to Ising Minimal Matter, Phys. Lett. B403 (1997) 197
    • M.J. Bowick, M. Falcioni, G. Thorleifsson, Simulations of Anisotropic Membranes without Self-Avoidance, ZIF-MS-08/97, Computer Physics Communications 109 (1998) 161
    • E. Laermann, Chiral Transition in 2 Flavor Staggered QCD, Nucl. Phys. B Proc. Suppl 60A (1998) 180
    • W. Franzki, J.B. Kogut, M.-P. Lombardo, Chiral Transition and Monopole Percolation in Lattice Scalar QED with Quenched Fermions, Phys. Rev. D57 (1998) 6625
    • K. Rummukainen, Dimensional Reduction and Hot QCD: Calculating the Debye Mass Non-Perturbatively, ZIF-MS-11/97
    • S. Datta, R.V. Gavai, Phase Transition in SO(3) Lattice Gauge Theory, Phys. Rev. D57 (1998) 6618
    • C. Bernard, T. Blum, C.E. DeTar, S. Gottlieb, U.M. Heller, J.E. Hetrick, B. Jegerlehner, K. Rummukainen, R.L. Sugar, D. Touissant, M. Wingate, Critical Behavior at the Chiral Phase Transition, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 63 (1998) 400
    • U.M. Heller, F. Karsch, J. Rank, Screening Lengths in SU(2) Gauge Theory at Finite Temperature, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 63 (1998) 421
    • U.H.E. Hansmann, Parallel Tempering Algorithm for Numerical Studies of Biological Macromolecules, Chem. Phys. Lett. 281 (1997) 140
    • A. Cucchieri, Gribov Copies in the Minimal Landau Gauge: the Influence on Gluon and Ghost Propagators, Nucl. Phys. B508 (1997) 353
    • I.M. Barbour, S.E. Morrison, E.G. Klepfish, J.B. Kogut, M.-P. Lombardo, The Critical Points of QCD at Non-Zero Density, T=0, g=K, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 63A (1998) 439
    • B.A. Berg, I.O. Stamatescu, Neural Networks and Confidence Limit Estimates, ZIF-MS-18/97
    • R. Diekmann, B. Monien, R. Preis, Load Balancing Strategies for Distributed Memory Machines, Multi-Scale Phenomena and Their Simulation, F. Karsch, B. Monien, H. Satz (eds.), World Scientific (1997) 255
    • R. Baier, M. Dirks, K. Redlich, Photon and Dilepton Production from Hot Out-Off-Equilibrium Media, Phys. Polon. B28 (1997) 2873
    • S. Bilke, Z. Burda, A. Krzywicki, B. Petersson, J. Tabaczek, G. Thorleifsson, 4d Simplicial Quantum Gravity Interacting with Gauge Matter Fields, Phys. Lett. B418 (1998) 266
    • J. Ambjorn, K.N. Anagnostopoulos, G. Thorleifsson, The Quantum Spacetime of c > 0 2d Gravity, Nucl. Phys. Proc. Suppl 63 (1998) 742
    • B. Petersson, G. Thorleifsson, Beyond the c = 1 Barrier in Two-Dimensional Quantum Gravity, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 63 (1998) 745
    • R. Feldmann, B. Monien, P. Mysliwietz, S. Tschöke, A Better Upper Bound on the Bisection Width of De Bruijn Networks, STACS'97, Proceedings, R. Reischuk, M. Morvan (eds.) Springer, Lecture Notes in Computer Science, 1200 (1997) 511
    • F. Neugebauer, R. Diekmann, Improved Mesh Generation: Not Simple but Good, Advances in computational Mechanics with Parallel and Distributed Processing, B.H.V. Topping (ed.), Civil-Comp Press (1997) 25
    • F. d'Amore, L. Becchetti, S.L. Bezrukov, A. Marchetti-Spaccamela, M. Ottaviani, R. Preis, M. Röttger, U.-P. Schroeder, On the Embedding of Refinement of 2-Dimensional Grids, Euro-Par'97 Parallel Processing, C. Lengauer, M. Griebl, S. Gorlatch (eds.), Springer, Lecture Notes in Computer Science, 1300 (1997) 950
    • R. Preis, R. Diekmann, The PARTY Partitioning - Libray User Guide - Version 1.1, Technical Report, tr-rsfb-96-024, CS-Dept., University of Paderborn, Sept. 1996, ZIF-MS-27/97
    • R. Diekmann, S. Muthukrishnan, M.V. Nayakkankuppam, Engineering Diffusive Load Balancing Algorithms Using Experiments, IRREGULAR'97, G. Bilardi, A. Ferreira, R. Leuling, J. Rolim (eds.), Springer, Lecture Notes in Computer Science, 1253 (1997) 111
    • F. Yasar, Y. Gündüc, T. Celik, Softening of Phase Transition in 2D Potts Model Under Quenched Bond Randomness, ZIF-MS-29/97
    • M.N. Chernodub, F.V. Gubarev, E.-M. Ilgenfritz, A. Schiller, Embedded Topological Defects in Hot Electroweak Theory: a Lattice Study, ZIF-MS-30/98, hep-lat/9809025
    • M. Heß, F. Karsch, E. Laermann, I. Wetzorke, Diquark Masses from Lattice QCD, Phys. Rev. D58 (1998) 111502
    • H. Satz, Deconfinement and Percolation, Nucl. Phys. A642 (1998) 130
    • F. Karsch, M. Oevers, P. Petreczky, Screening Masses of Hot SU(2) Gauge Theory from the 3d Adjoint Higgs Model, Phys. Lett. B442 (1998) 291
    • C. DeTar, O. Kaczmarek, F. Karsch, E. Laermann, String Breaking in Lattice Quantum Chromodynamics, Phys. Rev. D59 (1999) 031501


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