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Supercomputer simulieren Hirnaktivität

Wie tauschen rund 100 Milliarden Nervenzellen im Gehirn Informationen aus? Wo liegen die Ursachen für neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson oder Demenz? Um hochkomplexe Fragen wie diese beantworten zu können, unterstützt das Jülich Supercomputing Centre (JSC) Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei der Simulation der Abläufe im Gehirn. Dafür nutzen sie mit JUQUEEN einen der weltweit schnellsten Höchstleistungsrechner.

Der neueste Jülicher Superrechner JUQUEEN verfügt derzeit über 130.000 Prozessoren und erreicht eine Rechengeschwindigkeit von 1,6 Petaflops (Floating Point Operations Per Second, kurz FLOPS). Damit zählt der Rechner laut Top 500 Liste zu den zehn schnellsten Rechnern der Welt: JUQUEEN führt über 1000 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde durch. Eine unvorstellbare Leistung, die den Jülicher Forscherinnen und Forschern hilft, die komplexen Zusammenhänge im Gehirn nachzuvollziehen.

Experten des JSC unterstützen die Forschungsgruppen im Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM) unter anderem beim Erstellen eines virtuellen Hirnatlasses und beim Simulieren von Hirnaktivität. Das virtuelle Nachschlagewerk zur menschlichen Schaltzentrale entsteht, indem tausende hauchdünne Gewebeschnitte einzelner Hirnareale auf ihre Zellarchitektur und die Verteilung wichtiger Moleküle hin ausgewertet werden. Die dadurch gewonnenen Informationen benötigen pro Hirnschnitt etwa 1 Terabyte Speicherplatz. Das JSC unterstützt beim Speichern der riesigen Datenmengen, aber auch beim Verorten der Hirngewebe-Informationen in einem Koordinatensystem und bei der sich anschließenden Visualisierung im dreidimensionalen Hirnmodell. Auch bei der Simulation von Hirnaktivität arbeiten die JSC-Experten eng mit den zuständigen Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftlern zusammen. Mit Hilfe so genannter Performance Analyse Tools helfen sie dabei, die Simulationssoftware immer wieder optimal auf die neuesten Rechnergenerationen anzupassen.

Um künftig das komplette menschliche Gehirn simulieren zu können, werden gigantische Rechenkapazitäten benötigt. Daher arbeitet das JSC in verschiedenen Kooperationen bereits an der nächsten Rechnergeneration mit "Exascale"-Leistung. Diese energieeffizient ausgelegten Computer der Zukunft werden rund eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde leisten und damit noch tausend Mal schneller als die heutigen Superrechner sein. Bei seiner Entwicklung soll den Computerexperten übrigens auch das Gehirn als Vorbild dienen: Dieses verbindet eine außerordentlich hohe Arbeitsleistung mit dem Energieverbrauch einer schwachen Glühbirne.

Experten des JSC koordinieren auch das von der europäischen Kommission mit acht Millionen Euro geförderte DEEP (Dynamical ExaScale Entry Platform)-Projekt. Um verschiedene Hardware-Komponenten optimieren und neue energiesparende Kühlsysteme in ein leistungsstarkes Netzwerk integrieren zu können, haben die Jülicher den Prototypen einer "Cluster Booster Architektur" entwickelt. Hierbei werden die Rechenoperationen – je nach Komplexität des Anforderungsprofils – auf unterschiedliche, parallel arbeitende Prozessoren verteilt, um so ein Optimum an Rechenleistung zu erzielen.

Um die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen High Performance Computing-Experten und Neurowissenschaftlern zu vertiefen, wurde am Forschungszentrum Jülich vor kurzem das Simulation Laboratory Neuroscience gegründet.

Weitere Informationen

zum SimLab Neuroscience

zum Supercomputer JUQUEEN

zum DEEP Project


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