2003 guest student programme

The 2003 guest student programme ran from 4 August to 10 October 2003 with 9 students.

Group Photo

Persons on the photo, left to right: Thomas Müller (ZAM), Herwig Zilken (ZAM), Holger Dachsel (ZAM), Jörg Striegnitz (ZAM), Matthias Bolten (Lübeck), Christian Kahl (Wuppertal), Jan Albersmeyer (Heidelberg), Mike Hammes (Wuppertal), Bernhard Steffen (ZAM), Godehard Sutmann (ZAM), Martin Holtschneider (Aachen), Natali Zint (Greifswald), Eric Lorenz (Leipzig), Björn Hagemeier (Paderborn), Kjong-Van Lehmann (Jena), Wolfgang Meyer (ZAM), Rüdiger Esser (ZAM), Paul Gibbon (ZAM), Artur Baumgärtner (IFF)

Proceedings

Esser, Rüdiger (Hrsg.) (2003):
Beiträge zum Wissenschaftlichen Rechnen - Ergebnisse des Gaststudentenprogramms 2003 des John von Neumann-Instituts für Computing (PDF, 2 MB),
Technical Report FZJ-ZAM-IB-2003-10

Abstracts

Parallele Mehrgitterverfahren für die dreidimensionale Poissongleichung

Jan Albersmeyer, Universität Heidelberg
Adviser: Godehard Sutmann, ZAM
Es werden, teilweise ausgehend von einer bestehenden seriellen Implementierung, verschiedene Löser 2., 4. und 6. Ordnung für den Einsatz in Mehrgitterverfahren zur Lösung der Poissongleichung untersucht, implementiert und parallelisiert. Dabei wird besonders der dreidimensionale Fall mit Dirichlet-Randbedingungen, wie er z.B. bei Molekulardynamiksimulationen auftritt, betrachtet. Es wird demonstriert, dass die untersuchten Verfahren im Einsatz als einfache iterative Löser eine sehr gute Skalierbarkeit aufweisen, allerdings in Mehrgitterverfahren aufgrund von Load-Balancing Problemen noch an Performance verlieren.

Parallele lineare Algebra für blockdiagonale Matrizen

Matthias Bolten, Universität zu Lübeck
Adviser: Thomas Müller, ZAM
Beim Einsatz von numerischen Berechnungen in der theoretischen Chemie treten blockdiagonale Matrizen auf. Ein Ausnutzen dieser Struktur stellt eine massive Rechenzeitersparnis dar. Da die bekannten Pakete zur parallelen Verarbeitung keine Funktionen speziell zur Behandlung dieses Matrixtyps zur Verfügung stellen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Routinen entwickelt, um diese Matrizen mit Hilfe von ScaLAPACK zu verarbeiten. Die hier vorgestellten Unterprogramme machen die Arbeit mit allen in ScaLAPCK für voll besetzte Matrizen vorhanden Funktionen möglich und zeigen insbesondere für aufwändige Probleme, wie die Lösung des Eigenwertproblems, eine zufriedenstellende Geschwindigkeitssteigerung.

Interaktive Visualisierung großer Moleküle

Björn Hagemeier, Universität Paderborn
Adviser: Herwig Zilken, ZAM
Eine interaktive Visualisierung von Molekülen mit mehreren Tausend Atomen ist mit herkömmlichen Methoden nicht mehr möglich. Wird z.B. die so genannte Ball-and-Stick Technik verwendet, in der Atome als Kugeln und Bindungen als Zylinder gezeichnet werden, so liegen die zu erzielenden Frame-Raten oft unter einem Frame pro Sekunde. Dies liegt daran, dass für die Visualisierung jede Kugel und jeder Zylinder aufwändig durch viele Dreiecke repräsentiert werden müssen. Aus diesem Grund sollen Methoden angewandt werden, mit denen Moleküle mit einer geringeren geometrischen Komplexität dargestellt werden können, ohne die visuelle Qualität der Graphik gravierend zu verschlechtern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden existierende Verfahren untersucht und eines exemplarisch implementiert.

Equilibration of enclosed particle systems interacting with a finite-power-series potential

Mike Hammes, Bergische Universität Wuppertal
Adviser: Paul Gibbon, ZAM
This article describes two new features added to the N-body code Pretty Efficient Parallel Coulomb-solver (PEPC). The first addition allows modelling of many-particle-systems constrained within containers formed by planes, spheres, ellipsoids and (elliptic) cylinders. The second addition allows easy implementation of any finite-power-series potentials with integer exponents and real coefficients. This makes it possible to use the potential from LENNARD and JONES or a fit to the MORSE potential in place of the COULOMB potential. A number of simulations were made using these additions with the goal of finding electrostatic equilibrium configurations.

Monte Carlo-Simulationen von Ising-Magneten mit periodischem Pinning mobiler Defekte

Martin Holtschneider, RWTH Aachen
Adviser: Artur Baumgärtner, IFF
Ein zweidimensionales Ising-Modell mit kurzreichweitigen Wechselwirkungen und mobilen Defekten, das die Entstehung, Fluktuation und Zerstörung eindimensionaler Defektstreifen beschreibt, wird aus experimentellen Daten motiviert und mit Hilfe von Monte Carlo-Simulationen studiert. Von herausgehobenem Interesse sind die Auswirkungen eines externen magnetischen Feldes und eines lokalen Pinning-Potentials, das die Anordnung der Defekte in geraden äquidistanten Linien energetisch bevorzugt. Das Pinning der Defekte führt bei niedrigen Temperaturen und moderaten Feldstärken zu einer langreichweitig geordneten Phase. Die kritischen Temperaturen, bei denen die geordnete in eine ungeordnete Hochtemperatur-Phase übergeht, werden für verschiedene Feld- und Pinningstärken bestimmt. Die mikroskopischen Mechanismen des Phasenübergangs werden diskutiert.

Lanczos Verfahren zur Berechnung innerer Eigenwerte von Anderson Matrizen

Christian Kahl, Bergische Universität Wuppertal
Adviser: Bernhard Steffen, ZAM
Dieser Artikel behandelt die Berechnung innerer Eigenwerte großer, dünn besetzter Matrizen, insbesondere der aus der theoretischen Festkörperphysik stammenden Anderson Matrizen. Dabei werden verschiedene Lanczos Methoden miteinander verglichen, insbesondere in Hinsicht auf ihre Konvergenzgeschwindigkeit gegenüber dem Algorithmus von Cullum/Willoughby. Es wird mit einem Restarted-Lanczos Verfahren gearbeitet um insbesondere das Verfahren der Residuenminimierung möglich zu machen, wie es bereits in Verbindung mit einem Jacobi-Davidson Verfahren verwendet wurde.

Parallelising a Parameter Estimation Method for Substitution Models

Kjong-Van Lehmann, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Adviser: Jörg Striegnitz, ZAM
A basic process in the evolution of DNA-sequences is the substitution of nucleotides during evolutionary time. The process of nucleotide substitution is influenced by many different factors. Substitution models describe these changes as stochastic processes depending on parameters regarding these factors. Different methods for estimating these parameters by two given sequences are developed. This work deals with parallelising a parameter estimation method for a substitution model regarding transitions, transversions and interaction between neighbours. This method involves high computational effort, due to the fact that it includes a very time-consuming Monte-Carlo Simulation and a particular time-consuming Maximum likelihood estimation. Parallelising this method improved the speed of estimating the parameters nearly linear to the number of processes.

Parallelization of the Fast Multipole Method

Eric Lorenz, Universität Leipzig
Adviser: Holger Dachsel, ZAM
The Fast Multipole Method is introduced with mathematical basics and the algorithm itself is described. This very effective method for calculating Coulomb energies must be ported step by step to parallel computers to make it even faster. The main parts of a serial implementation were parallelized by Jürgen Wieferink within the previous gueststudents program of the Research Center Jülich. This recent work wants to continue the parallelization with respect to the sorting algorithm used within the implementation. The radix sort algorithm has been parallelized with and without load balancing. For a realistic distribution there is an acceptable speedup.

Robuste Verfahren zur Berechnung von Korrelationsmatrizen sowie zur Hauptkomponentenanalyse

Natali Zint, Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
Adviser: Wolfgang Meyer, ZAM
Im Rahmen des GALA-Projektes (Grünenthal Applied Life Science Analysis) wurden alternativ zu den bisher entwickelten und implementierten Verfahren zur automatisierten Datenauswertung Module zur robusten Berechnung von Korrelationsmatrizen und zur robusten Hauptkomponentenanalyse implementiert. Die Erläuterung dieser robusten Verfahren sowie eine kurze Vorstellung von Ergebnissen ist Inhalt des vorliegenden Berichtes.