Applicant
Prof. Dr. Timothy Clark
Computer Chemie Centrum
Department Chemie und Pharmazie
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Project Overview
EMPIRE wurde, teilweise als Projekt in KONWIHR-II, entwickelt, um sehr große (ca. 100.000 Atome) Systeme mit Hilfe semiempirischer Molekülorbital- (MO-) Methoden zu simulieren. EMPIRE ist durch stetige Weiterentwicklung, unter anderem im Rahmen von KONWIHR III, seit der ersten Version durchgängig das weltweit leistungsfähigste Paket dieser Art geblieben. Das breite Spektrum der Systeme, die bereits mit EMPIRE berechnet wurden schließt sowohl biologische (Enzyme, Rezeptoren, biologische Membranen, Nukleinsäuren) als auch technisch relevante Systeme (organische Transistoren, bulk-heterojunction Solarzellen, heterogene Katalysatoren, selbstassemblierte Monolagen) ein. Anders als molekularmechanische Methoden ist EMPIRE in der Lage, die elektronischen Eigenschaften eines Systems zu simulieren. Der semiempirische Ansatz macht EMPIRE außerdem in seinen Berechnungen deutlich schneller als klassische ab initio oder auch dichtefunktionaltheoretische (DFT) Simulationen. Daher wird EMPIRE überall dort verwendet, wo in großen Systemen neben den Positionen der Atome auch die Kenntnis der elektronischen Struktur zur vollständigen Analyse einer Problemstellung notwendig ist. Die mit EMPIRE berechneten Wellenfunktionen dienen zum Beispiel der Untersuchung der Propagation von Ladungen in metallorganischen Verbindungen (MOFs), organischen Transistoren, oder den Vorgängen in den photochemischen Reaktionszentren in Pflanzenzellen.
Im CCC als Einrichtung der aktiven Forschung und Lehre wurde und wird EMPIRE zwar weiterentwickelt, jedoch steht durch die Zwänge und Notwendigkeiten des universitären Forschungsbetriebes die Verfügbarkeit neuer Methoden im Vordergrund. Eine generelle Leistungsoptimierung kann in dem gegebenen Rahmen auf Grund der nur sehr eingeschränkt zur Verfügung stehenden Ressourcen für eine solche doch stark von der Forschung abgesetzte Tätigkeit nur in äußerst eingeschränktem Umfang durchgeführt werden. Auch wenn mit Hilfe vergangener KONWIHR-Projekte bereits Arbeiten dieser Art durchgeführt wurden, ist es notwendig, auf neue Entwicklungen zu reagieren, und auch neu hinzugefügte Methoden und Algorithmen zu optimieren. Zu nennen wären an dieser Stelle zum Beispiel ganz grundsätzliche Themenbereiche aus dem Höchstleistungsrechnen, wie die immer wichtiger werdende Verwendung von Grafikrecheneinheiten, also GPUs, und im Allgemeinen heterogener Rechneraufbauten, und eine weitere Optimierung auf immer breiter werdende Vektoreinheiten, hier ist das in den letzten Jahren von Intel entwickelte AVX512 als bekanntester Vertreter zu nennen. Natürlich ist auch weiterhin die Optimierung hin zur linearen Skalierung durch konsequente Eliminierung aller Flaschenhälse und die konsequente Ausnutzung der Lokalität, um die Skalierbarkeit auf massivparallele Rechner und Architekturen zu verbessern. Daher ist es notwendig, weitere, teilweise auch neuartige, Optimierungen anzuwenden um die Leistungsfähigkeit und Konkurrenzfähigkeit von EMPIRE zu erhalten und auszubauen.
Um dies zu erreichen, ist es notwendig, Chemikern aus dem CCC und Spezialisten aus der Gruppe für Höchstleistungsrechnen am RRZE eine Zusammenarbeit zu ermöglichen. Dadurch kann das Wissen über semiempirische Quantenmechanik mit dem Wissen über die neuesten Entwicklungen im Bereich Höchstleistungsrechnen kombiniert werden, um so zur bestmöglichen Lösung zu kommen.