Parallelrechnen in der Quantenchemie

Parallelrechnen ist eine der größten Herausforderungen für die computergestützte Quantenchemie. Die Möglichkeiten immer realistischer werdender Simulationen chemischer Elementarvorgänge haben sich in den letzten Jahren dramatisch gesteigert. Die Computersysteme, die für solche Untersuchungen eingesetzt werden, reichen von PCs über Workstations bis hin zu Supercomputern. Die enormen Rechenleistungen von Supercomputern basieren nicht so sehr auf schnelleren Einzelprozessoren sondern auf der Kombination von mehreren Dutzenden bzw. Hunderten von Prozessoren. Multireferenz Konfigurationswechelwirkungsverfahren (MRCI) - und damit verwandte Methoden - stellen eine sehr allgemein verwendbare Klasse von quantenchemischen Rechenverfahren dar. In vielen Fällen sind sie die einzigen Möglichkeiten, um komplizierte chemische Fragestellungen, wie Bindungsdissoziation oder elektronische Anregungen, befriedigend behandeln zu können. Diese Methoden sind allerdings numerisch äußerst aufwendig, so daß man häufig vor der Situation steht, ein sehr interessantes Problem lösen zu wollen, es aber mit konventionellen Workstations überhaupt nicht bearbeiten kann. Es ist das Ziel unseres Projektes, den Anwendungsbereich von CI Methoden drastisch durch den Einsatz von Parallelrechnern zu erweitern. Wir haben bereits ein massiv paralleles CI Programm auf der Basis von COLUMBUS (eines von uns in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Ohio State University und des Argonne National Laboratories entwickelten Programmsystems) erstellt, das mit äußerst guter Effizienz (99% und besser) auf 128 bis 256 Prozessoren von Standard-Parallelrechnern (wie der IBM SP2 und der CRAY T3E) läuft. Wir wollen in dem vorliegenden Projekt die bereits begonnenen, äußerst aufwendigen Rechnungen an zwei traditionell schwierigen Problemstellungen beenden, um die Leistungsfähigkeit des Programms demonstrieren zu können. Weiters soll das neue COLUMBUS Programmpaket als "public domain Programm" öffentlich zugänglich gemacht werden. Wir haben außerdem noch eine Reihe von Programmentwicklungsarbeiten vor, die den Anwendungsbereich von COLUMBUS noch wesentlich erweitern sollen.

Durch die Parallelisierung des quantenchemischen Programmpaketes COLUMBUS, das gemeinsam mit Ron Shepard vom Argonne National Laboratory und Isaiah Shavitt von der Ohio State University entwickelt wurde, konnten neue Anwendungsmöglichkeiten für die präzise Vorherberechnung von molekularen Energien und anderen Moleküleigenschaften geschaffen werden. Das effiziente Arbeiten mit parallelen Computersystemen ist auch heutzutage noch eine große Herausforderung, da das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten, wie Computerhardware, Betriebssoftware und Anwenderprogramm wesentlich genauer abgestimmt werden muss als bei Einzelprozessoranwendungen. Die Parallelisierungsarbeiten wurden auf der Grundlage des am Pacific Northwest Laboratory entwickelten Programmpakets "global arrays" durchgeführt, da dieses - über synchrones "message passing" hinaus - die benötigte Flexibilität im Zugriff verschiedener Prozesse auf gemeinsame Daten ermöglichte. Bei der Planung und Durchführung der Parallelisierungsarbeiten an COLUMBUS wurde auf die Effizienz unter den verschiedensten Computerplattformen großer Wert gelegt, wobei speziell Linux PC Cluster für uns von großem Interesse waren. Als Anwendungsbeispiele wurden etwa die Valenz- und Rydberganregungen im Formaldehyd untersucht. Das COLUMBUS Programmpaket ist im "public domain" Bereich (http://www.itc.univie.ac.at/~hans/Columbus/columbus.html) verfügbar und hat zur Zeit mehr als 180 registrierte Benutzer.