Kolumne "Zur Sache"

Mit dem neuen Supercomputer die drängenden Fragen zum künftigen Klimawandel angehen

Michael Böttinger © Dr. Andreas Pohlmann

Am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg werkelt ein neuer Klimarechner, mit dem die Klimawissenschaft drängende Fragen nach dem künftigen Klimawandel anhand verbesserter Modelle und mehr Rechenleistung deutlich präziser angehen kann. Auch die ganzheitliche Klimaforschung, die nicht nur technische, sondern auch gesellschaftliche Entwicklungen in den Blick nimmt, profitiert davon.

Ein Editorial von Michael Böttinger, Deutsches Klimarechenzentrum

Es ist eine gute Nachricht für die deutsche Klimawissenschaft: am 22. September 2022 wird der neue Hochleistungsrechner HLRE-4, nach einem Wind „Levante“ benannt, unter Beteiligung von Politik und Wissenschaft eingeweiht. Mit dieser vierten Generation des „Hochleistungsrechnersystem für die Erdsystemforschung“ verfügt das Deutsche Klimarechenzentrum in Hamburg nun über ein deutlich leistungsfähigeres und besonders energieeffizientes Arbeitsgerät.

Der neue Supercomputer vervierfacht mit 14 PetaFLOPS die CPU-basierte Rechenleistung am DKRZ. Zusätzlich verfügt Levante über eine GPU-Partition (GPUs: Grafikprozessoren), die weitere 2,8 PetaFLOPS leistet. Was das bedeutet? Die Klimawissenschaft kann damit detaillierteres Wissen zu möglichen Konsequenzen eines fortschreitenden Klimawandels bereitstellen. Oder auch die Frage beantworten: Wie ändert sich die Statistik des Wetters durch den Klimawandel auf regionaler oder lokaler Ebene?

So erlaubt etwa ein 132 Petabyte großes Festplatten-Speichersystem, Simulationsdaten in einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu speichern und zu analysieren. Mit diesem Zuwachs an Rechenleistung, Hauptspeicher und Speicherkapazität können Forscher:innen etwa Simulationen mit besonders hoch aufgelösten globalen Modellen durchführen, die eine rein physikalische Darstellung wichtiger kleinräumiger Klimaprozesse erlauben. Bisher mussten diese in den oft eingesetzten, wesentlich gröberen globalen Modellen parametrisiert werden.

Ein Beispiel dafür ist die Darstellung von Wolken und Niederschlag, wie ein Vergleich der Simulation von Wolken im Bild auf der DKRZ-Website zeigt. Mit bloßem Auge lässt sich der Qualitätssprung erkennen: von den CMIP6-Simulationen (mit dem Modell MPI-ESM HR) verbreiteten Auflösung von ca. 80 km (links) und der Auflösung von 2,5 km (mit dem Modell: ICON R2B10, rechts). Die hochauflösende ICON-Simulation stellt nun auch die Details der Wolkenstrukturen und damit das Verhalten verschiedener Wolkentypen dar. Mit der wesentlich detailreicheren Darstellung der atmosphärischen Zirkulation sind drastisch verbesserte Klimasimulationen möglich, sobald hinreichend lange Zeiträume berechnet werden können.

Levante, ein Supercomputer von der Firma Atos, besteht aus ca. 2.900 eng vernetzten Computern mit insgesamt 370.000 Prozessorkernen sowie 240 GPUs, die parallel an den Simulationen arbeiten können. Solche zunehmend komplexen Hardware-Architekturen stellen die wissenschaftliche Software-Entwicklung vor sehr große Herausforderungen. Das DKRZ unterstützt seine Nutzer:innen, u.a. durch das BMBF-geförderte Projekt natESM darin, ihre Arbeitsmethoden (z.B. die Portierung von Programmcodes auf GPUs oder maschinelles Lernen) so anzupassen, dass sie von dieser Entwicklung im Bereich des Hochleistungsrechnens profitieren können.

Der in den letzten Jahrzehnten vorherrschende Zuwachs an Rechenleistung bei gleichem Stromverbrauch ist heute am Ende. Daher ist jeder weitere Anstieg der Rechenleistung automatisch mit steigendem Stromverbrauchs verbunden. Während die Investitionskosten für dieses und kommende Rechnersysteme durch ein Abkommen zwischen der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft und der Freien und Hansestadt Hamburg gesichert sind, stellt sich gerade für die Klimawissenschaft angesichts stark gestiegener Energiepreise die Frage, wie zukünftig der Bedarf der Wissenschaft an Rechenleistung angesichts begrenzter Budgets möglichst klimaneutral befriedigt werden kann.

 

Zum Autor
Michael Böttinger leitet die Gruppe „Visualisierung und Öffentlichkeitsarbeit“ am Deutschen Klimarechenzentrum. Das DKRZ ist eine nationale Service-Einrichtung speziell für die Erdsystemwissenschaften in Deutschland. Herr Böttingers wissenschaftliche Interessen umfassen z.B. die Darstellung von Unsicherheit bei der Visualisierung von Klimasimulationsdaten und die Gestaltung von Visualisierungen für die Kommunikation an die Öffentlichkeit.

 

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    08. September 2022

    Bildnachweis
    Foto Michael Böttinger: Dr. Andreas Pohlmann
    Abbildung Wolkensimulationen an einem Februartag (auf der DKRZ Website): Florian Ziemen, DKRZ

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