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Mit dem Supercomputer Fugaku gegen die COVID-19 Pandemie

Mit dem Supercomputer Fugaku gegen die COVID-19 Pandemie
Geschätzte Lesezeit: 3 Minuten

Am 15. Novem­ber 2021 wur­de Fug­aku, gemein­sam vom japa­ni­schen For­schungs­zen­trum RIKEN und Fuji­tsu ent­wi­ckelt, zum vier­ten Mal hin­ter­ein­an­der die Num­mer 1 der TOP500-Lis­te der welt­schnells­ten Super­com­pu­ter. Noch wich­ti­ger und beein­dru­cken­der ist die pra­xis­na­he Nut­zung die­ses Supercomputers.

Bereits in der Design­pha­se leg­ten RIKEN und Fuji­tsu fest, dass Fug­aku für vie­le rea­le Anwen­dungs­fäl­le eine deut­li­che Beschleu­ni­gung erbrin­gen soll. Außer­dem lag der Fokus auf einer brei­ten Nutz­bar­keit („App­li­ca­ti­on First“).

Ausgezeichnete Leistung

Der Erfolg die­ser Stra­te­gie zeig­te sich kürz­lich, als der renom­mier­te ACM Gor­don Bell Preis für die Spe­zi­al-Kate­go­rie „High Per­for­mance Com­pu­ting-Based COVID-19 Rese­arch” an ein Team vom RIKEN Cen­ter for Com­pu­ta­tio­nal Sci­ence und der Kobe Uni­ver­si­ty ver­lie­hen wur­de. Sato­shi Matsuo­ka und Mako­to Tsub­o­ku­ra nah­men den Preis im Rah­men der inter­na­tio­na­len Kon­fe­renz SC21  für die Arbeit „Digi­tal Trans­for­ma­ti­on of droplet/aerosol infec­tion risk assess­ment rea­li­zed on Fug­aku for the fight against COVID-19” ent­ge­gen.

Simulation von Tröpfchen und Aerosolen

Bereits im April 2020 – noch vor der kom­plet­ten Fer­tig­stel­lung von Fug­aku – stell­ten RIKEN und Fuji­tsu ers­te Par­ti­tio­nen die­ses Super­com­pu­ters Wissenschaftler*innen zur Ver­fü­gung. Das Team von Prof. Mako­to Tsub­o­ku­ra ent­wi­ckel­te eine Anwen­dung zur Simu­la­ti­on von Strö­mun­gen, die nun für die Bekämp­fung der COVID-19 Pan­de­mie ein­ge­setzt wur­de. Die Simu­la­ti­on berech­net, wie sich infek­tiö­se Tröpf­chen und Aero­so­le in der Luft ver­brei­ten. Dafür wer­den Schutz­mas­ken und Schutz­schil­de aus unter­schied­li­chen Mate­ria­li­en geprüft und deren Wir­kung gegen die Ver­brei­tung von Tröpf­chen und Aero­so­len mit Hil­fe der Simu­la­ti­ons-Berech­nung bewer­tet. Hier­aus wird ermit­telt, wie groß das Risi­ko einer COVID-19 Infek­ti­on in unter­schied­li­chen Situa­tio­nen ist. Fug­aku konn­te die Simu­la­tio­nen in der not­wen­di­gen hohen Auf­lö­sung ska­lie­ren und erreich­te eine sehr schnel­le Lösungszeit.

COVID-19 Aerosol-Simulation auf Fugaku. Quelle: Professor Makoto Tsubokura, RIKEN Center for Computational Science
COVID-19 Aero­sol-Simu­la­ti­on auf Fug­aku. Quel­le: Pro­fes­sor Mako­to Tsub­o­ku­ra, RIKEN Cen­ter for Com­pu­ta­tio­nal Science

 

Im Rah­men unse­rer Born to trans­form Pod­cast-Rei­he konn­ten wir in Epi­so­de 4 mit Prof. Tsub­o­ku­ra aus­führ­lich über den Pro­zess spre­chen. Er gab uns Ein­bli­cke in die Her­aus­for­de­run­gen und die aus den Simu­la­tio­nen gewon­ne­nen Erkenntnisse.

Mit Fugaku zur Entscheidung

Dank der hohen Rechen­leis­tung von Fug­aku konn­ten die Wissenschaftler*innen mit den Simu­la­tio­nen das Infek­ti­ons­ri­si­ko durch Aero­so­le für eine gro­ße Zahl an Sze­na­ri­en aus­wer­ten. Inner­halb von etwa 1,5 Jah­ren wur­den über 1000 Sze­na­ri­en simu­liert, wofür eine Rechen­zeit von etwa 17,5 Mil­lio­nen Fug­aku-Rechen­kno­ten-Stun­den ver­braucht wur­de. So unter­such­ten die Wissenschaftler*innen bei­spiels­wei­se das Anste­ckungs­ri­si­ko in Räu­men wie Büros, Klas­sen­zim­mern, Kon­zert­hal­len, Musik­clubs und Restau­rants. Ana­log wur­den auch die Aero­sol-Aus­brei­tung sowie die Risi­ken in öffent­li­chen Ver­kehrs­mit­teln wie Zügen, Taxis, Bus­sen und Flug­zeu­gen ana­ly­siert und visua­li­siert. Auf Basis der Ergeb­nis­se wur­den kon­kre­te Gegen­maß­nah­men eva­lu­iert und vor­ge­schla­gen, die das Infek­ti­ons­ri­si­ko senken.

Wäh­rend des gesam­ten Pro­jekts arbei­te­te RIKEN eng mit Part­nern aus der Indus­trie sowie mit den Regie­rungs­be­hör­den zusam­men. Die gewon­ne­nen Erkennt­nis­se hal­fen bei der Ent­schei­dungs­fin­dung für geeig­ne­te Maß­nah­men und Ver­pflich­tun­gen wie das Tra­gen von Gesichts­mas­ken und Kon­takt­re­du­zie­run­gen. Außer­dem waren sie die Grund­la­ge bei Ent­schei­dun­gen, wann und ob öffent­li­che Ein­rich­tun­gen und Geschäf­te geschlos­sen bezie­hungs­wei­se wie­der geöff­net wer­den sollten.

Ausblick auf weitere Arbeiten

Bis­her wer­ten die Simu­la­tio­nen aus, wie sich die Tröpf­chen und Aero­so­le von infi­zier­ten Per­so­nen über die Luft auf ande­re Men­schen über­tra­gen. Im nächs­ten Schritt geht es dar­um, zu ver­ste­hen, wie ein­ge­at­me­te Tröpf­chen und Aero­so­le inner­halb des mensch­li­chen Kör­pers zu einer Infek­ti­on führen.

Hier­für wird der­zeit ein kom­bi­nier­tes Simu­la­ti­ons-Sys­tem einer Virus-Infek­ti­on ent­wi­ckelt. Die aktu­el­le Simu­la­ti­on der Luft­über­tra­gung soll mit einer bio­lo­gi­schen Simu­la­ti­on kom­bi­niert wer­den, bei der die Atem­we­ge des Men­schen nach­ge­bil­det und die Reak­ti­on der Immun­zel­len gegen die Virus-Inva­si­on repro­du­ziert wird.

Fazit

Die preis­ge­krön­te Anwen­dung von RIKEN demons­triert ein­drucks­voll, wie ein leis­tungs­star­ker Super­com­pu­ter wert­vol­le Erkennt­nis­se für die Bewäl­ti­gung von gesell­schaft­li­chen Her­aus­for­de­run­gen lie­fert. Wei­te­re Infor­ma­tio­nen zu Fug­aku und den Super­com­pu­tern von Fuji­tsu fin­den Sie in die­sem Blog-Bei­trag sowie auf unse­rer Web­sei­te.

Über eine wei­te­re Anwen­dung, in der es um die Vor­her­sa­ge von Tsu­na­mis geht, pla­nen wir noch einen sepa­ra­ten Artikel.

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