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Molekulardynamik-Weltrekord im Jahre 1999

Wie bewegen sich die Eisenatome, wenn ein Stück Stahl verformt wird oder bricht? Die Frage ist von großer Bedeutung, wenn man z.B. aus einfachen Materialien maßgeschneiderte High-Tech-Verbundwerkstoffe herstellen möchte. Es ist nicht schwer, die Bewegungsgleichungen der Atome aufzustellen, Strukturen zu erzeugen und Modellkräfte einzuschalten. Den Weg jedes einzelnen Atoms aber zu berechnen ist von Hand unmöglich und erfordert den Einsatz von schnellen Computern.

Mit bisherigen Rechnerleistungen konnten Proben aus 1000 bis 1 Million Teilchen betrachtet werden, die in Würfel mit Kantenlängen von 10 bis 100 Teilchen oder ca. 3 bis 30 Nanometern passen. Dies ist eine für viele physikalische Probleme unzulässige Einschränkung. So können z.B. bei Verformungen Kraftfelder auftreten, deren Reichweite größer als die Probe ist. Oder es entstehen bei Rissausbreitungen Schallwellen, die am Rand reflektiert werden und das Verhalten des Risses ändern. Oft behilft man sich mit künstlichen Randbedingungen, aber auch dies kann zu unerwünschten Nebeneffekten führen. Wir sind deshalb darauf angewiesen, Simulationen mit größeren Teilchenzahlen durchzuführen.

Dazu wurde am Institut für Theoretische und Angewandte Physik der Universität Stuttgart das Molekulardynamik-Programm IMD (``ITAP-Molekulardynamik'') entwickelt. Ursprünglich von Dr. Jörg Stadler (jetzt bei Debis) begonnen, wird das Programm derzeit von einer Gruppe von Mitarbeitern des Instituts erweitert, überarbeitet und in Kürze auch neuen Parallelrechner-Architekturen angepasst. Dr. Stadler hatte mit diesem Programm schon einmal einen Weltrekord aufgestellt (März 1997: 1.213.857.792 Teilchen). Dieser wurde im November 1997 von Dipl. Phys. Matthias Müller vom Institut für Computeranwendungen, Stuttgart, mit 1.399.440.000 Teilchen übertroffen. Am 28. Oktober 1999 war Dr. Johannes Roth vom ITAP nun in der Lage, in einem Demonstrationslauf 5.180.116.000 Teilchen zu rechnen. Das ist fast ein Teilchen pro Erdbewohner. Die Atome formen einen Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 1540 Atomabständen. Das entspricht einem Kristall mit 0.42 Mikrometer oder 0.00042 Millimeter Kantenlänge. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 100 mal so dick. Die Leiterbahnen der Computerchips, auf dem die Simulation lief, sind etwa so breit wie der simulierte Kristall. In den Würfel passt etwa eine Wellenlänge des blauen Lichtes.

Der neue Weltrekord wurde durch die Aufrüstung einer Cray T3E-1200 am Forschungszentrum Jülich ermöglicht. In dem Rechner arbeiten 512 Prozessoren. Mit 262 GB besitzt er gegenwärtig den weltweit größten für zivile Nutzung verfügbaren Rechner-Hauptspeicher. Zum Vergleich: 262 GB entspricht dem Inhalt von 400 mal der Encyclopaedia Britannica oder dem Speicher von 4000 Privat-PCs.

Bei diesen großen Teilchenzahlen kann man nur wenige Atomschwingungen beobachten: 180 Zeitschritte würden einen Tag Rechenzeit benötigen, eine typische Simulation würde ein Vierteljahr lang laufen. Auf Supercomputern ist eine so lange dauernde Rechnung ausser in Spezialfällen nicht möglich, bei kleineren Projekten aber nicht ungewöhnlich. Die Realzeit kann aber bei Reduzierung der Teilchenzahl erheblich gesteigert werden.

Die Menge der anfallenden Daten, insbesondere der Koordinaten der Atome in regelmäßigen Zeitabständen, ist so groß, dass man sie nirgends mehr speichern, geschweige denn ausdrucken kann. Deshalb wird es immer wichtiger, neue Auswertungsmethoden zu entwickeln. Während der Simulation werden Bilder erzeugt, die als Videosequenz abgespeichert und ausgewertet werden können. Auf den Video-Clips werden dann die Ergebnisse, die der Rechner in stunden- oder tagelangen Läufen berechnet hat lebendig. Der Betrachter kann sowohl die Bewegung der einzelne Atome beobachten, als auch die koordinierte Ausbreitung von Schallwellen oder das Wandern von Defekten.

MD world record

Zeitliche Entwicklung des Molekulardynamik-Weltrekords als Funktion der Probengröße.