Der Einsatz von Hochleistungsrechnern und Quantencomputern ermöglicht die Verarbeitung riesiger Datenmengen und die Berechnung hochkomplexer Vorgänge. Diese technologischen Möglichkeiten sind grundlegend für die Forschungsarbeit im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, denn allen Forschungsbereichen ist gemeinsam, dass sie komplexe Vorgänge untersuchen, besser verstehen und weiter optimieren wollen.
High-Performance Computing
Bei der Untersuchung komplexer Vorgänge hat sich neben der Durchführung von Experimenten und den theoretischen Betrachtungen die numerische Simulation etabliert. Mithilfe numerischer Simulationen können komplexe Systeme oder Phänomene mathematisch modelliert und analysiert werden, um das Verhalten des zu untersuchenden Systems unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen zu können.
High-Performance Computing (HPC), auf Deutsch Hochleistungsrechnen, spielt in der numerischen Simulation eine entscheidende Rolle, da komplexe Simulationen oft enorme Rechenressourcen erfordern. Hochleistungsrechner ermöglichen es, große Datenmengen schnell zu verarbeiten und komplexe Berechnungen effizient durchzuführen. Dazu gehören numerische Strömungssimulationen, Festigkeitsberechnungen, Werkstoffdesign sowie Formoptimierung und Zustandsüberwachung von Luft- und Raumfahrtsystemen. Auch bei medizinischen Messungen, in der Atmosphärenforschung, und in der Sicherheitsforschung zum Schutz der Bevölkerung und von Infrastrukturen werden numerische Simulationen eingesetzt
Hochleistungsrechner CARO
Der Hochleistungsrechner CARO (Computer for Advanced Research in Aerospace) in Göttingen zählte bei Inbetriebnahme zu den leistungsstärksten 150 IT-Systemen der Welt.
Da diese Anwendungen besonders hohe Anforderungen an Rechengeschwindigkeit und Datenmanagement stellen und hohe Kosten verursachen, werden modernste Softwarelösungen benötigt. HPC ist der Turbo unter den Rechenmethoden und ermöglicht, auf leistungsstarken parallelen Computersystemen komplexe Berechnungen durchzuführen und große Datenmengen zu verarbeiten.
Das Institut für Softwaretechnologie befasst sich mit dem Thema HPC in seiner Gesamtheit und liefert neben der Software-Expertise auch das Know-how für modernste Hardware-Anforderungen.
Quantencomputing
Das Institut für Softwaretechnologie lotet im DLR das Potential von Quantencomputern für die Lösung komplexer Herausforderungen aus. In Bereichen wie Logistik, Kryptografie, Energiesysteme, Werkstoffsimulation, Material- und Batterieforschung, Radartechnologie, Klimaforschung und Aerodynamik sowie Optimalsteuerung verspricht die Nutzung von Quantencomputern eine deutliche Verbesserung der Lösungsmöglichkeiten von hochkomplexen Fragestellungen, die mit herkömmlichen Rechnern schwer oder gar nicht zu bewältigen sind.
Wir stellen uns diesen Herausforderungen durch drei Forschungsschwerpunkte:
Zum einen ermöglichen wir die effiziente Nutzbarkeit der bereits verfügbaren Quantencomputing-Architekturen, die aber noch fehlerbehaftet sind. Wir wenden hierzu Methoden der Fehlerkorrektur und -vermeidung sowie der Rauschunterdrückung an. Ebenfalls nutzen wir hardware-spezifische Kompilierungen zur Effizienzsteigerung.
Ferner erforschen wir neuartige anwendungsspezifische Quantenalgorithmen beispielsweise aus der kombinatorischen Optimierung und der Simulation von Quantensystemen.
Schließlich entwickeln wir eine Nutzungsinfrastruktur, die einen einfachen Zugang zu den Quantencomputer-Ressourcen des DLR [WS1] gewährleistet.
Besonders interessieren wir uns für den Einsatz von konventionellen HPC-Systemen zusammen mit Quantenprozessoreinheiten, die als Beschleuniger für spezielle Aufgaben eingesetzt werden. Ein Einsatzbereich ist in der Materialforschung. Hier erlauben Quantenprozessoren die schnelle Simulation von Quantensystemen als Teilmodelle, während makroskopische Materialrechnungen hocheffizient auf HPC-Systemen durchgeführt werden können.
