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Research projects

Research projects imported from CRIS

  • Implementation of vector operations for SBCL
    (Third Party Funds Single)
    Term: 10 Jul 2018 - 31 Mar 2019
    Funding source: Bayerisches Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst (ab 10/2013)
  • Rechenleistungsoptimierte Software-Strategien für auf unstrukturierten Gittern basierende Anwendungen in der Ozeanmodellierung
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2017 - 30 Sep 2020
    Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Metaprogrammierung für Beschleunigerarchitekturen
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2017 - 31 Dec 2019
    Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
    In Metacca wird das AnyDSL Framework zu einer homogenen Programmierumgebung für
    heterogene Ein- und Mehrknoten-Systeme ausgebaut. Hierbei wird die UdS den Compiler und das Typsystem von AnyDSL erweitern, um dem Programmierer das produktive Programmieren von Beschleunigern zu ermöglichen. Darauf aufbauend wird der LSS geeignete Abstraktionen für die Verteilung und Synchronisation auf Ein- und Mehrknoten-Rechnern in Form einer DSL in AnyDSL entwickeln. Alle Komponenten werden durch Performance Modelle (RRZE) unterstützt
    Eine Laufzeitumgebung mit eingebautem Performance-Profiling kümmert sich um Resourcenverwaltung und Systemkonfiguration. Das entstandene Framework wird anhand zweier Anwendungen, Ray-Tracing (DFKI) und Bioinformatik (JGU), evaluiert.
    Als Zielplattformen dienen Einzelknoten und Cluster mit mehreren Beschleunigern (CPUs, GPUs, Xeon Phi).

     

    Die Universität Erlangen-Nürnberg ist hauptverantwortlich für die Unterstützung von verteilter
    Programmierung (LSS) sowie für die Entwicklung und Umsetzung von unterstützenden Performance-Modellen sowie einer integrierten Profiling Komponente (RRZE). In beiden Teilbereichen wird zu Beginn eine Anforderungsanalyse durchgeführt um weitere Schritte zu planen und mit den Partnern abzustimmen.
    Der LSS wird im ersten Jahr die Verteilung der Datenstrukturen umsetzen. Im weiteren Verlauf wird sich die Arbeit auf die Umsetzung von Synchronisationsmechanismen konzentrieren. Im letzten Jahr werden Codetransformationen entworfen, um die Konzepte für Verteilung und Synchronisation in AnyDSL auf die gewählten Anwendungen anzupassen. Das RRZE wird in einem ersten Schritt das kerncraft Framework in die partielle Auswertung integrieren. Hierbei wird kerncraft erweitert um aktuelle Beschleunigerarchitekturen sowie Modelle für die Distributed-Memory-Parallelisierung zu unterstützen. In zwei weiteren Paketen wird eine Ressourcenverwaltung und eine auf LIKWID basierende Profiling Komponente umgesetzt

  • Hardware- und Leistungsorientierte Codegenerierung für Informatik und Ingenieurwesen
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2017 - 31 Dec 2019
    Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
  • Evaluierung hochauflösender Algorithmen zur medizinischen Bildgebung
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Mar 2016 - 30 Sep 2016
    Funding source: Industrie
  • Ultra-Skalierbare Multiphysiksimulationen für Erstarrungsprozesse in Metallen
    (Third Party Funds Group – Overall project)
    Term: 1 Feb 2016 - 31 Jan 2019
    Funding source: BMBF / Verbundprojekt
  • Multi-scale Modeling and Simulations of Multi-phase Flows
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: Multiscale Modelling, Simulation and Optimization for Energy, Advanced Materials and Manufacturing
    Term: 1 Jan 2016 - 31 Dec 2020
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
    Availability of adequate, clean and affordable energy is critical for realizing basic human needs and further economic development. Modern society is heavily dependent on electricity (industry, lighting, transportation, communications and so on). The current energy systems are mainly dependent on fossil carbon (oil, gas and coal). According to the recent world electricity generation statistics (see www.eia.gov/oiaf/ieo/index.html), about 42% of the energy is generated using coal. In India, the share of coal in electricity generation is more than 60% (http://powermin.nic.in). Considering this, any efforts in expanding the energy availability are bound to increase the environmental impact (carbon footprint, water footprint, impact on human health). In addition, coal power plants are proven to have the highest impact on human health among the electricity production processes. It is therefore essential to make every effort to reduce the environmental footprint of energy systems and develop more efficient and cleaner energy generation technologies. In the conventional pulverized coal (PC) based power plants, coal combustion is used to generate steam and then electricity. In contrast, in coal gasification based systems, the coal is converted into syngas (mainly CO, H2) which can be easily cleaned and then converted into either electricity via the IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) route or into synthetic fuels (gasoline, diesel, etc.). Owing to local availability of biomass, it is also desired to gasify the biomass or co-gasify it with coal for generation of electricity locally.

    There are several challenges in improving the performance of the coal combustion boilers or in development of IGCC based power generation process using coal or biomass or a mixture of coal and biomass. Most of the processes employ one or other type of fluidized bed and one of the important challenge is efficient design of fluidized bed gasifiers for gasification coal or biomass or a mixture of coal and biomass. In order to develop simulation tools that can be used for design, scale-up and performance optimization of large-scale coal-fired boilers or gasifiers, it is important to understand the fluidization behavior of binary particle mixtures with varying size, shape and density.

    In addition to coal based energy (power generation or liquid fuels), there are several important applications that involve gas-liquid flow through packed beds, for example, in oil refining industry for trickle bed reactors used for removal of Sulfur from liquid fuels, gas-liquid absorption columns, etc. In all such processes, it is important to understand how the local liquid distribution changes as a function of local porosity, surface wettability characteristics. It is therefore important to develop computational tools that can simulate gas-liquid flow in packed beds.

    One objective of this project to perform Lattice-Boltzmann simulations of unary and binary particulate flows, with a large number of particles, to understand the effects of particle size, shape and density on fluidization characteristics (flow regimes, bubbling characteristics, solid volume fraction, mixing & segregation characteristics) . The numerical results will be validated with high-speed visualization imaging experiments to characterize fluidization behavior of unary and binary particles and also to perform continuous phase velocity flow field measurements using Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV). Furthermore, direct numerical simulations (DNS) of unary and binary particles with smaller number of particles will be carried out to derive the closure models for Eulerian (continuum) simulations. Additionally, simulations of gas-liquid two-phase flow through geometrically resolved packed beds will be performed and compared with high-speed visualization imaging and Particle Image Velocimetry experiments to characterize flow of gas and liquid phases through small specimens of liquid filled packed beds.

    The expected outcomes of this project are experimentally validated computational models to simulate unary and binary particulate flows and the development of closures for continuum (Eulerian) models for simulation of binary particles based on direct numerical simulations. Furthermore, a deeper understanding of particle-particle interactions and the effects of particle properties (size, shape, density, etc.) on dynamic characteristics of fluidization and mixing/segregation of binary particles is aspired. Also the effects of particle size/shape, bed porosity and surface characteristics on local velocity flow fields and gas-liquid distribution will be analyzed

  • Performance optimized software strategies for unstructured-mesh applications in ocean modeling
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2016 - 31 Mar 2020
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Producing accurate simulations of ocean, atmosphere, and climate applications requires very efficient numerical schemes and huge computational resources not readily available in many parts of the world and to many groups active in this field. Such limitations also play a significant role in the fact that structured grid models still constitute the mainstay for community codes in the area of ocean science. In this project, we propose both to significantly improve the computational performance of unstructured grid ocean applications - focusing on a solver based on the discontinuous Galerkin finite element method - and, at the same time, to decrease the effort to implement new methods and applications. The first goal will be reached by utilizing a number of techniques aiming to address the existing performance bottlenecks; those include a new approach to domain decomposition and performance oriented adaptive numerical schemes. The second goal will be achieved by resorting to modern software design strategies, including code generation and automatic optimization techniques for the compute-intensive kernels. The performance and code design advances resulting from the work proposed here can cover a lot of ground towards making unstructured mesh models the mainstream of ocean science and, in particular, available to users with limited access to HPC systems.
  • PPP Indien - Gas-Feststoff-Strömungen: Experiment und Simulation
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2016 - 31 Dec 2017
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
  • Precise simulation of solid-state amplifiers
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2016 - 31 Dec 2019
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Pulsed and ultrashort pulsed lasers are used in various technical applications.In particular research on powerful ultrashort pulsed lasers is needed, since such lasers are important for future developments in automotive industry. Since the development of laser resonators is limited, research has to focus on new laser amplifiers in order to archive more efficient and powerful laser sources.Simulation is an important tool for further development on laser sources. Reasons are the complex physical phenomena in laser amplifiers. Using simulation, engineers can analyze these phenomena and optimize laser amplification systems. Such simulations have to include accurate 3-dimensional simulation of birefringence, depolarization effects, thermal effects, and nonlinear effects described by rate equations.Although lots of research has been done on the development of new laser sources, the development of new simulation tools for lasers was neglected. Thus, the aim of this research project is to develop new models and algorithms for the simulation of laser amplifiers. Here, we focus on solid-state crystals like Yb:YAG as active medium. Furthermore, we consider amplifiers of short and ultrashort pulsed laser beams with high or low repetition rate. The simulation models take into account thermal effects, depolarization effects, and spectral behavior of the laser amplifier. Single pass, double pass, and multi pass laser amplifiers are simulated. The main research question is which kind of simulation techniques have to be combined to obtain most accurate simulation results. To this end, new simulation techniques have to be found. The aim is, on the one hand, to obtain accurate simulation results and, on the other, to find algorithms with low computing effort. This requires the comparison of different simulation algorithms.
  • Simulation of Free Surface Flow on a slope by use of qaLBerla Framework
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jun 2015 - 31 May 2017
    Funding source: Industrie
  • Numerical Solution of PDE's by Sparse Grids
    (Own Funds)
    Term: 2 Jan 2015 - 6 Dec 2019
    • sparse Grids reduce the computaional amount for solving PDE's

    • efficient algorithms for solving high dimensional  PDE's with variable coefficients on sparse grids

    • solution of high dimensional Schrödinger equation

    • convergence analysis, numerical analysis

  • Einsatz Lichtbrechender Bauteile zur Dosisreduktion bei medizinischem Phasenkontrast-Röntgen
    (Own Funds)
    Term: 1 Aug 2014 - 31 Dec 2019
    Röntgen-Phasenkontrastbildgebung ist eine recht junge Erweiterung zum üblichen Absorptionskontrast in Röntgenaufnahmen. Medizinischer Phasenkontrast kann dabei minimale Richtungsänderungen des Röntgenstrahls im Patienten messen und als Bild darstellen. Derartige Bilder können z.B. Tumore als Übergänge zwischen Gewebe leicht unterschiedlicher Dichte visualisieren. Seit ca. 2006 können medizinische Röntgengeräte um eine Phasenkontrastoptik erweitert werden (ausreichend Platz vorausgesetzt). Diese Optik heißt Talbot-Lau Interferometer und misst die Lichtbrechung in der Probe anhand der Verschiebung eines Streifenmusters.Wegen dem medizinischen Bezug ist die für eine Aufnahme benötigte Röntgendosis relevant. Diese Dosis könnte reduziert werden durch eine Steigerung der Empfindlichkeit der Geräte (technisch: durch eine Reduktion des Winkel-Messbereichs). Es liegen zwei im Vorfeld entwickelte konkrete Vorschläge zur Steigerung der Empfindlichkeit und damit zur Dosiseinsparung vor.Einer der Vorschläge ("Linsengitter") könnte gleichzeitig einen guten Kontrast des Streifenmusters (technisch: eine gute Sichtbarkeit) selbst bei hohen Photonenenergien erreichen. Der andere Vorschlag ("Prismengitter") dagegen setzt auf eine sehr hohe Empfindlichkeit und nimmt dafür einen geringeren Kontrast des Streifenmusters in Kauf. Beide Vorschläge erweitern das auf Gitterbeugung basierende Talbot-Lau Interferometer um Bauteile aus lichtbrechenden Mikroprismen. Dazu wurde im Vorfeld eine neuartige Fertigungsmethode für röntgenoptische Mikroprismen und Fresnel-Linsen vorgeschlagen. Die Methode soll es erlauben, mit nahezu unveränderten Fertigungsprozessen vollflächige Anordnungen (Arrays) starker Prismen herzustellen.Ziel des Projektes ist es, (1) beide konkreten Vorschläge zu simulieren, um damit (2) realisierbare und vorteilhafte Hardware-Aufbauten auslegen zu können. Anhand der ausgelegten Aufbauten soll dann (3) das Potential der Vorschläge bewertet werden. Die Simulation soll dabei komplexe Wellenfelder durch die Optiken propagieren können, um sowohl Interferenz als auch Lichtbrechung zu berücksichtigen. Während ein realer Hardware-Aufbau im Wesentlichen nur ein Endergebnis ("was sieht der Detektor?") bewerten kann, soll die Simulation einzelne Beiträge zum Endergebnis aufschlüsseln können. Gleichzeitig soll die Software auch Aussagen zur Realisierbarkeit ("Wie leicht lässt sich die Geometrie fertigen?") machen.
  • DS 3031
    (Third Party Funds Single)
    Term: 3 Jul 2014 - 1 Feb 2015
    Funding source: Industrie
  • Simulation der Myocard-Perfusion
    (Third Party Funds Single)
    Term: 20 Jun 2013 - 19 Jun 2014
    Funding source: Siemens AG
  • ExaStencils - Advanced Stencil-Code Engineering
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: SPP 1648: Software for Exascale Computing
    Term: 1 Jan 2013 - 31 Dec 2018
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    URL: http://www.exastencils.org
    Future exascale computing systems with 107 processing units and supporting up to 1018 FLOPS peak performance will require a tight co-design of application, algorithm, and architecture aware program development to sustain this performance for many applications of interest, mainly for two reasons. First, the node structure inside an exascale cluster will become increasingly heterogeneous, always exploiting the most recent available on-chip manycore/GPU/HWassist technology. Second, the clusters themselves will be composed of heterogeneous subsystems and interconnects. As a result, new software techniques and tools supporting the joint algorithm and architecture-aware program development will become indispensable not only (a) to ease application and program development, but also (b) for performance analysis and tuning, (c) to ensure short turn-around times, and (d) for reasons of portability.

    Project ExaStencils will investigate and provide a unique, tool-assisted, domain-specific codesign approach for the important class of stencil codes, which play a central role in high performance simulation on structured or block-structured grids. Stencils are regular access patterns on (usually multidimensional) data grids. Multigrid methods involve a hierarchy of very fine to successively coarser grids. The challenge of exascale is that, for the coarser grids, less processing power is required and communication dominates. From the computational algorithm perspective, domain-specific investigations include the extraction and development of suitable stencils, the analysis of performance-relevant algorithmic tradeoffs (e.g., the number of grid levels) and the analysis and reduction of synchronization requirements guided by a template model of the targeted cluster architecture. Based on this analysis, sophisticated programming and software tool support shall be developed by capturing the relevant data structures and program segments for stencil computations in a domain-specific language and applying a generator-based product-line technology to generate and optimize automatically stencil codes tailored to each application–platform pair. A central distinguishing mark of ExaStencils is that domain knowledge is being pursued in a coordinated manner across all abstraction levels, from the formulation of the application scenario down to the generation of highly-optimized stencil code.

    For the developed unique and first-time seamless cross-level design flow, the three objectives of (1) a substantial gain in productivity, (2) high flexibility in the choice of algorithm and execution platform, and (3) the provision of the ExaFLOPS performance for stencil code shall be demonstrated in a detailed, final evaluation phase.

  • EXASTENCILS - Advanced Stencil-Code Engineering
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: SPP 1648: Software for Exascale Computing
    Term: 1 Nov 2012 - 1 Nov 2015
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    Future exascale computing systems with 107 processing units and supporting up to 1018 FLOPS peak performance will require a tight co-design of application, algorithm, and architectureaware program development to sustain this performance for many applications of interest, mainly for two reasons. First, the node structure inside an exascale cluster will become increasingly heterogeneous, always exploiting the most recent available on-chip manycore/GPU/HWassist technology. Second, the clusters themselves will be composed of heterogeneous subsystems and interconnects. As a result, new software techniques and tools supporting the joint algorithm and architecture-aware program development will become indispensable not only (a) to ease application and program development, but also (b) for performance analysis and tuning, (c) to ensure short turn-around times, and (d) for reasons of portability.Project ExaStencils will investigate and provide a unique, tool-assisted, domain-specific codesign approach for the important class of stencil codes, which play a central role in highperformance simulation on structured or block-structured grids. Stencils are regular access patterns on (usually multidimensional) data grids. Multigrid methods involve a hierarchy of very fine to successively coarser grids. The challenge of exascale is that, for the coarser grids, less processing power is required and communication dominates. From the computational algorithm perspective, domain-specific investigations include the extraction and development of suitable stencils, the analysis of performance-relevant algorithmic tradeoffs (e.g., the number of grid levels) and the analysis and reduction of synchronization requirements guided by a template model of the targeted cluster architecture. Based on this analysis, sophisticated programming and software tool support shall be developed by capturing the relevant data structures and program segments for stencil computations in a domain-specific language and applying a generator-based product-line technology to generate and optimize automatically stencil codes tailored to each application–platform pair. A central distinguishing mark of ExaStencils is that domain knowledge is being pursued in a coordinated manner across all abstraction levels, from the formulation of the application scenario down to the generation of highly-optimized stencil code.For the developed unique and first-time seamless cross-level design flow, the three objectives of (1) a substantial gain in productivity, (2) high flexibility in the choice of algorithm and execution platform, and (3) the provision of the ExaFLOPS performance for stencil code shall be demonstrated in a detailed, final evaluation phase.
  • TERRA-NEO - Integrated Co-Design of an Exascale Earth Mantle Modeling Framework
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: SPP 1648: Software for Exascale Computing
    Term: 1 Nov 2012 - 1 Nov 2015
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    Much of what one refers to as geological activity of the Earth is due to the fact that heat is transported from the interior of our planet to the surface in a planetwide solid-state convection in the Earth’s mantle. For this reason, the study of the dynamics of the mantle is critical to our understanding of how the entire planet works. Processes from earthquakes, plate tectonics, crustal evolution to the geodynamo are governed by convection in the mantle. Without a detailed knowledge of Earth‘s internal dynamic processes, we cannot hope to deduce the many interactions between shallow and deep Earth processes that dominate the Earth system. The vast forces associated with mantle convection cells drive horizontal movement of Earth’s surface in the form of plate tectonics, which is well known albeit poorly understood. They also induce substantial vertical motion in the form of dynamically maintained topography that manifests itself prominently in the geologic record through sea level variations and their profound impact on the ocean and climate system. Linking mantle processes to their surface manifestations is seen widely today as one of the most fundamental problems in the Earth sciences, while being at the same time a matter of direct practical relevance through the evolution of sedimentary basins and their paramount economical importance.Simulating Earth mantle dynamics requires a resolution in space and time that makes it one of the grand challenge applications in the computational sciences. With exascale systems of the future it will be possible to advance beyond the deterministic forward problem to a stochastic uncertainty analysis for the inverse problem. In fact, fluid dynamic inverse theory is now at hand that will allow us to track mantle motion back into the past exploiting the rich constraints available from the geologic record, subject to the availability of powerful geodynamical simulation software that could take advantage of these future supercomputers.The new community code TERRA-NEO will be based on a carefully designed multi-scale spacetime discretization using hybridized Discontinuous Galerkin elements on an icosahedral mesh with block-wise refinement. This advanced finite element technique promises better stability and higher accuracy for the non-linear transport processes in the Earth mantle while requiring less communication in a massively parallel setting. The resulting algebraic systems with finally more than 1012 unknowns per time step will be solved by a new class of communication-avoiding, asynchronous multigrid preconditioners that will achieve maximal scalability and resource-optimized computational performance. A non-deterministic control flow and a lazy evaluation strategy will alleviate the traditional over-synchronization of hierarchical iterative methods and will support advanced resiliency techniques on the algorithmic level.The software framework of TERRA-NEO will be developed specifically for the upcoming heterogeneous exascale computers by using an advanced architecture-aware design process. Special white-box performance models will guide the software development leading to a holistic co-design of the data structures and the algorithms on all levels. With this systematic performance engineering methodology we will also optimize a balanced compromise between minimal energy consumption and shortest run time.This consortium is fully committed to the interdisciplinary collaboration that is necessary for creating TERRA-NEO as new exascale simulation framework. To this end, TERRA-NEO brings top experts together that cover all aspects of CS&E, from modeling via the discretization to solvers and software engineering for exascale architectures.
  • LIST - Großflächiger Lichteinfang in der Silizium-basierten Dünnschichtsolarzellen-Technologie - Teilprojekt Simulation
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jun 2012 - 31 May 2014
    Funding source: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
    Der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen wird maßgeblich durch die optischen Eigenschaften von diesen beeinflusst. Um die Effizienz und somit auch den daraus zu gewinnenden Strom zu erhöhen ist eine akkurate Analyse der Lichteinkopplung (Lighttrapping) notwendig. Hierbei spielen Faktoren wie die Komposition des Schichtaufbaus, die Brechungsindizes der Materialien und die Oberflächenstruktur der Schichten eine wichtige Rolle. 3-dimensionale Simulationen sind ein probates Mittel um durch Variation dieser Parameter die optischen Eigenschaften von Solarzellenstrukturen genau zu analysieren und das Lichtmanagment in Dünnschichtsolarzellen zu optimieren. Dazu gehören sowohl Untersuchungen von Reflexions-, Absorptions- und Streuverhalten an den Schichtübergängen als auch die Analyse von schräg einfallenden optischen Wellen, da unter reellen Bedingungen Sonnenlicht zum Großteil nicht vertikal auf die Solarzelle trifft. Ziel des Vorhabens ist es daher das Verhalten des einfallenden Lichts in Dünnschichtsolarzellen zu simulieren und dadurch den Lichteinfang zu optimieren.
  • Erweiterung eines echtzeitfähigen Temperaturmodels
    (Third Party Funds Single)
    Term: 30 Apr 2012 - 31 Aug 2012
    Funding source: Siemens AG
  • Silizium-Solarzellen auf flexiblen Substraten
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2012 - 31 Mar 2015
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
    URL: http://www.innovationsallianz-photovoltaik.de/main/sisoflex/
    Das Forschungsprojekt ist ein Verbundprojekt mit verschiedenen Partnern wie dem Forschungsinstitut Next Energy in Oldenburg. Ziel des Verbundvorhabens „Silizium basierte Dünnschicht Solarzellen auf flexiblen Metall-Substraten“ (Akronym: SiSoFlex) ist es, die technologischen Grundlagen für die Herstellung von Silizium-Dünnschicht-Solarzellen auf flexiblen Metallsubstraten zu verbessern. Das angestrebte Projektziel gliedert sich auf die folgenden Ansätze auf: • Evaluierung und Entwicklung neuer flexibler Substrate für die Dünnschicht PECVD Beschichtung • Entwicklung kostengünstiger und leicht zu produzierender Lösungen für den Front- und Rückkontakt, die gleichzeitig den Lichteinfang verbessern • Test und Vergleich verschiedener Zellkonzepte in Substrat-Zellkonfiguration auf Metallsubstraten • Verkapselungstests und Optimierung der Lichteinkopplung Die jeweiligen Ansätze verbindet am Ende das konkrete Gesamtziel, ein Zellekonzept auf flexiblen Substraten mit stabilem Wirkungsgrad >11% zu demonstrieren.
    Ziel des Teilvorhabens in Erlangen ist es, die Entwicklung neuer Zellkonzepte durch Simulationsrechnungen zu optimieren und untereinander zu vergleichen. Da der Lichteinfang bei Dünnschichtsolarzellen eine zentrale Rolle spielt, soll dieser mit Hilfe von Hochleistungsrechnern genau analysiert werden. Berechnet werden hierbei der Kurzschlussstrom und die Quanteneffizienz des Lichts abhängig vom Sonnenspektrum. Für die Berechnung der Effizienz der gesamten Solarzelle ist sowohl eine optische als auch eine elektrische Simulation notwendig. Zu diesem Zweck wird durch Lösen der Maxwell- Gleichungen die Generierung von Elektronen-Loch-Paaren simuliert.
  • Understanding of degradation mechanisms to improve components and design of PEFC
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: Understanding of degradation mechanisms to improve components and design of PEFC
    Term: 1 Jul 2011 - 30 Jun 2017
    Funding source: EU - 7. RP / Cooperation / Verbundprojekt (CP)
    The aim of the DECODE project is to elucidate degradation mechanisms in PEFC with special focus on the influence of liquid water and in a second phase to modify components to achieve a significant improvement of PEFC durability. The focus of the project is the creation of new knowledge and understanding of the PEFC degradation processes, and in addition, the practical improvements of fuel cell performance and durability.The project encompasses 11 partners with the necessaryand important expertise to investigate and quantify degradation related phenomena in fuel cells and to derive strategies for improved durability. In particular, the project profits from the inputs of two car and truck manufacturers, component manufacturers, research institutes with their advanced testing infrastructure and universities with advanced modelling expertise. The project is structured into 7 work packages for the investigation of various components of PEFC and in the field of organization and dissemination (involvement of all partners). The work packages are shortly described at the end of the summary. DECODE focuses both on detailed component characterisation and also subsystem (short stack) testing and analysis. The project aims at deriving the maximum information from all testing and analytical work but also follows a pragmatic approach. If specific component information can only be derived from a specific model configuration it is accepted within DECODE that the simplified arrangement is used. On the other hand, components are tested in long-term operation in short stacks under realistic and technical conditions thereby leading to naturally aged components. These will be analysed with all available analytical tools within the framework of the project. The components of PEFC investigated in the project consist in the electrodes, membranes, diffusion media and bipolar stacks. In-situ and ex-situ analysis is performed leading ideally to preliminary life time predictions at the end of the project. A special strength of the project is the large modelling activity which is expected to significantly advance knowledge and understanding of the processes leading to degradation and also to deliver the tools to describe ageing and performance degradation.
  • Berechnungsprogramm für innovative Kurzpulslaser mit passivem Q-Switch
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Apr 2011 - 31 Mar 2013
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Ziel des Projektes ist es, einen Q-Switch Laser mit sättigbarem Absorber für einzelne Pulse hoher Leistung zu designen. Dabei soll auf eine Blitzlampen-gepumpte Ausführung verzichtet und stattdessen eine diodengepumpte Lasertechnologie realisiert werden. Der Laser soll in der Medizintechnik Anwendung finden.
  • Simulation and Analysis of Optical Properties of Thin-Film Solar Cells
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jun 2010 - 1 Mar 2013
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
  • Simulation and Analysis of Solid-State Lasers
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2010 - 1 Jan 2013
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
  • LightWave: High Performance Computing of Optical Wave
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: The Bavarian Competence Network for Technical and Scientific High Performance Computing (KONWIHR)
    Term: 1 Apr 2009 - 31 Mar 2011
    Funding source: Bayerische Forschungsstiftung
     

    Optical technologies are one of the key technologies of the 21st century. The appli- cations of these technologies range from medicine to information and communica- tion technology and from environmental technology to manufacturing technology. The progress in these technologies often depends on the possibility to predict the behavior of light by simulations of optical waves. However Maxwell equations are very difficult to solve for such kind of applications. Since many wavelengt- hs of light have to be resolved by a fine discretization mesh, high performance computing is very important for research in advanced optical technologies. One aim of the project is to adapt a parallel code for solving Maxwell's equations to current high performance architecture of high performance computers in Er- langen and Munich. This parallel code is based on the library StaggExPDE. For obtaining flexible application and high efficiency, this library utilizes expression templates, structured grids and MPI and OpenMP parallelization. The task of the research project is to develop new software techniques for obtaining optimal efficiency on hybrid HPC systems with multicore architecture using expression templates. The second aim of the project is to apply the library StaggExPDE and its Maxwell solver for two important applications of high performance computing in Erlangen. One of them is thin film solar cell simulations. Since thin film technology is the future technology of solar cells, research in this direction is of general public interest. Another application is lithography simulation. Since masks for producing new chips consist of features of size of the wavelength and below, numerical simulati- ons using high performance computers are extremely important for lithography simulations.

  • Kompakter Festkörperlaser für effizienten Materialabtrag mit radial polarisiertem Licht - KOMET
    (Third Party Funds Group – Overall project)
    Term: 1 Jan 2009 - 31 Dec 2011
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Im Verbundvorhaben KOMET soll ein modular aufgebauter Festkörperlaser entwickelt werden, der radial polarisiertes Licht hoher Strahlqualität emittiert, wodurch erhebliche Effizienzvorteile bei der Anwendung (schneiden und bohren) zu erwarten sind. Im Rahmen der Entwicklung dieses Lasers sollen neue Algorithmen zur numerischen Simulation dieses Lasertyps entwickelt werden.
  • Innovatives Netzwerk: Simulation und Optimierung innovativer Lasersysteme (SOL)
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Jan 2007 - 31 Dec 2019
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Der Laser ist eine Basiskomponente für eine große Zahl moderner optischer Systeme mit wichtigen Einsatzfeldern in der verarbeitenden Industrie, der Medizin und der Informationstechnik. Aufgrund der wirtschaftlichen Bedeutung dieser Anwendungsgebiete gehört die Lasertechnik zu den zukunftsorientierten Schlüsseltechnologien. Die Beherrschung dieser Technik wird die Wettbewerbsfähigkeit wichtiger Branchen wie Maschinenbau, Optik und Elektronik, sowie Kommunikations- und Medizintechnik entscheidend beeinflussen.
    Bei der Entwicklung neuer Laser, der Leistungsverbesserung existierender Systeme sowie deren Anpassung an neue Anwendungsfelder gehört die Optimierung des Strahlprofils zu den wichtigsten Aufgaben. Denn ein unzureichendes Strahlprofil limitiert den technischen Einsatz des Lasers, da insbesondere durch das Strahlprofil die Fokussierbarkeit des Lasers bestimmt wird. Dies ist zum Beispiel für die Mikromaterialbearbeitung und die nichtlineare Optik von entscheidender Bedeutung.
    Jedoch ist diese Optimierung als äußerst schwierig einzustufen, da das Strahlungsfeld anders als bei herkömmlichen Lichtquellen mit Hilfe resonanter Schwingungen des elektromagnetischen Feldes im Resonator erzeugt wird, so dass komplexe, miteinander wechselwirkende physikalische Parameter zur Strahlformung beitragen. In der Vergangenheit erfolgte diese Optimierung auf empirische Weise in langwierigen kostenintensiven experimentellen Untersuchungen. Heute jedoch sind die Senkung der Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität, Effizienz und Leistung entscheidende Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit hiesiger Laserhersteller. Diese Kostenfaktoren können erheblich reduziert werden, wenn die Entwicklungsarbeiten durch leistungsfähige Computersimulationen unterstützt werden. Darüber hinaus ermöglichen derartige Simulationen die Entwicklung hoch innovativer Lasersysteme, die durch experimentell-empirische Versuche allein nicht realisierbar wären. So ist das Ziel des Projekts die Entwicklung eines Computersimulationsprogramms, welches die Lasermoden unter Beachtung thermischer Effekte und der absorbierten Pumplichtverteilung exakt berechnet.
    Ein viel versprechender Ansatz für die Simulation der Vorgänge im Resonator liegt in der Verwendung von Finite-Elemente-Analysen (FEA), welche heute auf vielen Gebieten erfolgreich zur Modellierung technischer Systeme eingesetzt werden. Der Einsatz von FEA Verfahren in der Lasertechnik beschränkt sich jedoch bisher im Wesentlichen auf die Berechnung thermischer Effekte, wie dies in dem von einem der Projektpartner entwickelten Programm LASCAD erfolgreich durchgeführt wird.
    Mit dieser Software kann jedoch das für die Ausbildung des Strahlprofils wichtige Verhalten der elektromagnetischen Felder im Resonator nicht ausreichend beschrieben werden.
    Dies betrifft besonders jene Festkörperlaserkonfigurationen, die von großem technischem und wirtschaftlichem Interesse sind. Beispiele hiefür sind Laser, die seitlich von Lampen angeregt werden und für Punktschweißgeräte und in der Lasermesstechnik benötigt werden, oder Laser, die seitlich von Diodenlasern angeregt werden und welche Einsatz in Markierungs- und Beschriftungssystemen finden, oder schließlich endgepumpte Laser, die nichtlineare optische Effekte aufweisen. Ein letztes Beispiel wären Verstärkersysteme für ultrakurze Laserpulse in der Mikrosystemtechnik.
    Für diese Lasersysteme muss durch zuverlässige Simulationen sowohl die zeitliche als auch die räumliche Struktur des erzeugten Laserstrahls untersucht und optimiert werden. Diese Aufgabe, welche nicht nur technisch, sondern auch wissenschaftlich von erheblicher Bedeutung ist, soll im Rahmen des geplanten Vorhabens durch den Einsatz von FEA Verfahren zur Berechnung der elektromagnetischen Feldstrukturen im Laserresonator gelöst werden. Die Berechnungen sollen anhand realer Lasersysteme validiert und anschließend bei der Entwicklung innovativer Resonatoren eingesetzt werden. Darüber hinaus sollen die Simulationsergebnisse mit Hilfe eines Modengenerators überprüft werden, der aufgrund seines einfachen Aufbaus leicht zu simulieren ist und exakt reproduzierbare Gauss-Hermite-Moden erzeugt.
  • Expression Templates für partielle Differentialgleichungen
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1 Mar 2003 - 1 Aug 2008
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Forschungsstipendium (EIN-SFOR)
    Die Implementierung von numerischen Algorithmen zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen kostet viel Zeit und ist insbesondere dann schwierig, wenn eine sehr effiziente Implementierung und eine Parallelisierung notwendig ist. Mit Hilfe von Expression Templates können numerische Algorithmen wesentlich einfacher effizient implementiert und parallelisiert werden. Gezeigt wurde dies in der Bibliothek ExPDE, mit der partielle Differentialgleichungen mit linearen Finiten Elementen auf uniformen Gittern diskretisiert und parallel mit bis zu 600 Prozessoren effizient gelöst werden können. Um Expression Templates für allgemeine Finite Elemente auf adaptiven Gittern entwickeln zu können, sind grundlegend neue Konzepte notwendig. Diese sollen an einem 2D Programm auf unstrukturierten Gittern erforscht werden. Ziel ist es hierbei, Expression Templates so zu entwickeln, daß automatische Parallelisierung bezüglich verschiedener Parallelisierungskonzepte möglich ist.

DFG-Schwerpunktprogramm 1648 – Software für Exascale Computing

BMBF

  • SKAMPY

DFG-Projekt

  • Präzise Simulation von Festkörperverstärker