Fortschrittliche Prozessoren für die Geowissenschaften

Im Durchschnitt kommt es pro Jahr zu 1.100 Erdbeben, die Menschen verletzen und das Leben kosten und auch Schäden an Infrastruktur verursachen können. Die Gestaltung einer menschlichen Umgebung mit entsprechender Erdbebensicherheit ist jedoch eine große wissenschaftliche und technische Herausforderung. Die Hauptschwierigkeit besteht in der Komplexität der physikalischen Prozesse in der Erdsuboberfläche.

Wissenschaftliche Untersuchungen der Messungen von Bodenbewegungen haben viele Erkenntnisse zu Bruchprozessen gebracht. Aufbauend auf den Fortschritten in der Computerinfrastruktur gibt es eine gute Gelegenheit für genaue numerische Simulationen. Physikbasierte Modelle bieten ein besseres Verständnis für die Art und Weise, wie geologische Strukturen in der Erdsuboberfläche Bodenbewegungen beeinflussen.

Ziel des EU-finanzierten Projekts HPC-GA (High performance computing for geophysics applications) war es, die vorhandene Recheninfrastruktur innerhalb europäischer Einrichtungen für die Erdbebengefährdungsbeurteilung zu nutzen und optimieren. Zu diesem Zweck wurde ein internationales, multidisziplinäres Konsortium aus europäischen und südamerikanischen Forschern versammelt.

Das Team bewertete die Funktionalitäten von aktuellen Laufzeitsystemen und wies auf ihre Einschränkungen hin. Simulationen von Bodenbewegungen bei Erdbeben müssen mehrere Subsysteme auf unterschiedlichen Skalen abdecken. Die Modellierung der Kopplung von Untersystemen ist wichtig, wird aber von der Rechenleistung begrenzt, die erforderlich ist, um eine zunehmende Menge an Daten zu verarbeiten.

Der nächste Schritt bestand daher darin, neue Methoden für eine effiziente Planung der Prozesse und die geschickte Verteilung der Daten auf Shared-Memory-Multicore-Rechenumgebungen zu entwickeln. Darüber hinaus implementierten sie datenadaptive Strahlformungsalgorithmen auf einer Parallel-Computing-Architektur, um nützliche Informationen selbst aus verrauschten seismischen Wellendaten zu erhalten.

Spezielle Algorithmen für die 3D-Inversion von seismischen, magnetotellurischen und gravitationalen Daten wurden entwickelt. Die aus geologischen Untersuchungen gewonnenen Daten sind in der Regel auf die Erdoberfläche oder die flachen Suboberfläche beschränkt und weisen oft große Abstände zwischen den Messstellen auf. Der gemeinsam verfolgte Ansatz verspricht Modelle, die alle Daten gleichzeitig erklären können.

Das Projekt HPC-GA führte zu vielen Fortschritten in der Computertechnologie und bei numerischen Methoden, die Modelle der Geodynamik und der seismischen Wellenausbreitung von bisher unerreichter Auflösung ermöglichen. Zuverlässigere Informationen werden zu einem tieferen Verständnis der Physik von Erdbeben und einer genaueren Abschätzung des seismischen Risikos für kritische Infrastrukturen führen.