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Rechencluster: Speedflyer

Speedflyer - der Rechencluster des Zentrums für Aviatik

Systembeschreibung

Für den Betrieb von numerischen Modellierungstools und -softwares hat der Fachbereich Meteorologie, Umwelt und Luftverkehr einen kleinen, aber leistungsfähigen Computercluster beschafft. Für unsere Berechnungen stehen uns insgesamt vier Nodes zur Verfügung, wovon je zwei baugleich sind. In einer ersten Etappe wurden zwei Nodes beschafft, welche 2020 um zwei weitere, leistungsfähigere Nodes erweitert wurden. Die zwei Nodes aus dem Jahr 2018 sind jeweils mit zwei Intel Xeon Platinum 8164 Prozessoren mit je 26 CPU-Cores, 768 GB RAM und 140TB Speicher ausgestattet, was insgesamt in 104 verwendbaren CPU-Kernen, 1536 GB RAM, 220 TB Speicher in RAID6-Konfiguration resultiert. Zur internodalen Kommunikation kommen modernste InfiniBand Interfaces zum Einsatz. Die beiden neueren Nodes sind jeweils mit zwei AMD Epyc 7742 Prozessoren mit jeweils 64 Kernen, 512 GB RAM und 48 TB Speicher ausgestattet. Damit stehen insgesamt weitere 256 CPU-Cores für aufwändige Berechnungen zur Verfügung. Mit dieser Ausstattung ist der Cluster ein wertvolles Werkzeug, um die Laufzeiten von numerischen Simulationen verkürzen und Simulationen rund um die Uhr laufen lassen zu können. Aufgrund der Verbundenheit mehrerer Teammitglieder mit den Alpen wurden die ersten beiden Nodes des Speedflyers mit «Castor» und «Pollux», nach den Zwillingsbergen im Monte Rosa-Massiv in den Walliser Alpen, benannt. Die später hinzugekommenen Nodes wurden «Weisshorn» und «Schwarzhorn» benannt, nach zwei weiteren markanten Gipfeln in Graubünden.

Die älteren beiden Nodes des Speedflyers sind mit einer Serverversion von Linux Ubuntu 18.04.3 LTS ausgestattet, die Neueren mit Ubuntu 20.04.3 LTS. Mit dem Environment Modules Package ist es möglich, den Cluster je nach Anforderungen für bestimmte Anwendungen individuell zu konfigurieren. Der Fachbereich Meteorologie, Umwelt und Luftverkehr nutzt den Cluster für Simulationen mit den numerischen Wettermodellen PALM Model System und WRF. Zudem wird der Cluster in Bezug auf die Forschung im Air Traffic Management zur Kollisionsrisikomodellierung im Rahmen von Projekten am Zentrum für Aviatik verwendet. In Zukunft wird auch die Gruppe Aerodynamik des Zentrums für Aviatik zu den Nutzern des Speedflyers gehören und Open Source-Codes wie OpenFOAM oder SU2 verwenden, wovon ersteres bereits auf dem Cluster konfiguriert wurde.

Speedflyer Anwendungen

PALM Modellsystem:

Beim PALM Model System handelt es sich um ein modernes meteorologisches Modelliersystem, welches sich besonders für Untersuchungen der atmosphärischen Grenzschicht und Stadtklimafragen eignet. PALM ist ein Large Eddy Simulation-Tool und ist für Simulationen auf grossen parallelisierten Rechenarchitekturen optimiert worden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wettermodellen basiert PALM auf einem kartesischen Rechengitter in alle Koordinatenrichtungen, was eine genauere Repräsentation von Topografie und Gebäuden erlaubt, als wenn in vertikaler Richtung Sigma-Koordinaten verwendet würden. Die implementierten Strahlungs- und Bodenmodelle und die Möglichkeit, Simulationsdomains mit unterschiedlicher Auflösung ineinander einzubetten und Simulationen mit Daten von grösserskaligen Modellen anzutreiben, erlaubt es, hochauflösende Simulationen mit sehr realistischen Randbedingungen durchzuführen. Mit dem Speedflyer-Cluster können solche Simulationen innert nützlicher Frist durchgeführt werden. Am Zentrum für Aviatik wenden wir PALM für praxisnahe Szenarien an und generieren Datengrundlagen, die bei der Entscheidungsfindung unterstützen können und beispielsweise in Szenarien mit komplexer Topografie und damit schwer greifbaren Strömungssituationen wichtige Einblicke liefern können. Mögliche Anwendungsbereiche sind Strömungssimulationen für Flugunfalluntersuchungen, Windenergie, Untersuchungen von Kaltluftströmungen auf Stadtgebiet, Untersuchungen der städtischen Hitzeinsel und viele weitere Bereiche. Insbesondere in der Schweiz mit ihrer einzigartigen Landschaft und Wetterphänomenen sind solche Untersuchungen besonders relevant. PALM ist somit ein geeignetes Werkzeug für wichtige Fragestellungen in der Aviatik und erlaubt neue Einblicke bei Unfalluntersuchungen, Infrastrukturplanungen und Forschungsfragen.

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