Klimasimulationen auf Europas schnellstem Rechner

Im Frühjahr dieses Jahres soll Europas schnellster Supercomputer JUPITER den Betrieb aufnehmen – und das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) gehört zu den Ersten, die auf dieser außergewöhnlichen Infrastruktur rechnen dürfen. Ein entsprechender Antrag beim Gauss Supercomputing Centre, den MPI-M-Forschende um Gruppenleiter Daniel Klocke zusammen mit Partner:innen vom Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) und vom Jülich Supercomputing Centre eingereicht hatten, wurde jetzt bewilligt.

Die vorgeschlagenen Klimasimulationen sind somit eines von mehreren Leuchtturmprojekten auf JUPITER, die von hoher gesellschaftlicher Relevanz sind und den Weg in ein neues Zeitalter des europäischen High Performance Computing ebnen sollen. Zuvor hatten die Projektpartner im Rahmen des JUPITER Research and Early Access Program gezeigt, dass ihr Vorhaben nicht nur von den außergewöhnlichen Rechenkapazitäten stark profitiert, sondern auch, dass das dafür eingesetzte Klimamodell ICON diese effizient nutzen kann.

Ab Mai 2025 simulieren die Forschenden dann das Klima der Erde erstmals mit einer Auflösung von nur einem Kilometer für ein komplettes Jahr – und das unter Berücksichtigung aller wichtigen Erdsystemkomponenten, die das Klimasystem beschreiben. Neben der Atmosphäre, dem Ozean, dem Land und dem Meereis gehört dazu auch die Simulation des kompletten Kohlenstoffkreislaufes, inklusive dem Transport von Kohlendioxid.

„Das ist ein großer Schritt für uns und ist bis jetzt nicht möglich gewesen“, so Daniel Klocke.

JUPITER effizient nutzen

Mit mehr als einer Trillion – also 1 000 000 000 000 000 000 – Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS) wird der am Forschungszentrum Jülich installierte Hochleistungscomputer der erste sogenannte Exascale-Rechner auf dem europäischen Kontinent sein. Zum Vergleich: ein durchschnittlicher Laptop schafft einige Hundert Milliarden FLOPS – JUPITERs Leistung entspricht also der von einigen Millionen Laptops. Selbst der finnische Supercomputer LUMI, auf dem das MPI-M und seine Partner im Projekt „Destination Earth“ aufwändige Berechnungen mit hochauflösenden Modellen durchführen, kommt „nur“ auf 380 Billiarden FLOPS – also ein gutes Drittel dessen, was JUPITER erwarten lässt.

Auf solchen Systemen rechnen zu dürfen, ist ein Privileg – und eine Herausforderung. Die schnellsten Rechner der Welt nutzen statt der in herkömmlichen Computern verbauten Prozessoren (Central Processing Units, CPUs) größtenteils Grafikprozessoren (Graphical Processing Units, GPUs). Damit ein Computermodell diese nutzen kann, müssen die Algorithmen entsprechend angepasst werden. Wissenschaftler:innen des MPI-M, des CSCS Swiss National Supercomputing Centre und weiterer Partner haben das Erdsystemmodell ICON seit Jahren entsprechend weiterentwickelt. Bis zum Beginn der Rechenzeit am 1. Mai wird das Team noch weiter am Code arbeiten, um die Simulationen zu konfigurieren und zu optimieren.

Simulationen dienen der Erforschung regionaler Klimafolgen

Ende Oktober erwarten die Wissenschaftler:innen dann, dass die hochaufgelösten Simulationen über einen gesamten saisonalen Zyklus abgeschlossen sind. Diese dienen der Erforschung von Phänomenen, die auf ganz unterschiedlichen räumlichen Skalen ablaufen und dennoch zusammenwirken. So wollen die Forschenden beispielsweise klären, wie Stürme globale Windsysteme und den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen. Die Beantwortung solcher Fragen soll helfen, regionale Folgen des Klimawandels besser einschätzen zu können.