Superrekenkracht voor racewagens en quantumtoestanden
Een bijzondere service op de campus van de TU Delft: een supercomputer voor iedereen die superrekenkracht nodig heeft. Ruim een jaar is DelftBlue, zoals de nieuwe supercomputer heet, nu in gebruik. Onderzoekers en studenten maken volop gebruik van de 1,05 petaflops, 10.000 CPU-cores en de meer dan 200 rekennodes – een verdubbeling is al in de planning. Van fundamenteel quantumonderzoek tot het ontwerpen van elektrische racewagens, hoe zijn hun ervaringen?
Insane veel rekenkracht
“Ik kan echt niet zonder DelftBlue”, zegt Natalia Chepiga, universitair docent bij het Kavli Institute of Nanoscience. “De pandemie vertraagde de oplevering van de nieuwe supercomputer; dat was de moeilijkste tijd uit mijn carrière. Toen DelftBlue er eindelijk was, begon mijn leven weer”. Jasper Vallinga en Lars van der Zwan, onderdeel van het studententeam dat de elektrische racewagen DUT23 bouwt, kunnen dit beamen. Het aerodynamisch ontwerp van hun wagen was onmogelijk geweest zonder DelftBlue. “We hebben insane veel rekenkracht gekregen.”
Quantumfase-overgangen
Chepiga gebruikt de supercomputer om in de fundamentele eigenschappen van quantummaterialen te duiken. “Een materiaal bestaat uit ontelbaar veel stuiterende atomen die elkaar beïnvloeden. Een verandering van de omstandigheden kan in zo’n materiaal een plotselinge faseovergang veroorzaken, bijvoorbeeld van een vloeibare fase naar een vaste fase bij het verlagen van de temperatuur. Mijn computersimulatie brengt deze complexiteit terug tot de meest fundamentele grondbeginselen: enkele duizenden sterk gecorreleerde elektronen bij extreem lage temperaturen. Als we in dit theoretische systeem faseovergangen zien, dan moeten ze ook optreden in echte materialen. Onze simulaties zijn ondenkbaar op een gewone computer.”
Als we faseovergangen zien in dit theoretische systeem, dan zouden ze ook in echte materialen moeten voorkomen. Deze simulaties zijn ondenkbaar op een normale computer.
Natalia Chepiga, assistent-professor aan het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen
Aerodynamisch ontwerp
Het team van Formula Student Team Delft gebruikt DelftBlue om het ontwerp van hun wagen te optimaliseren. Vallinga is verantwoordelijk voor de aerodynamica. “In het verleden was het nog maar net mogelijk om een luchtstroom te simuleren die in een rechte lijn over de auto stroomt. Maar tijdens een échte race bepaalt de aerodynamica vooral hoe de wagen presteert in bochten, waar de luchtstroming zich totaal anders gedraagt.” Het doorrekenen van zo’n complexere situatie zou zonder supercomputer een week of twee kosten. “En dan weet je achteraf pas of de simulatie verkeerd is gegaan of dat het ontwerp helemaal fout is. Die tijd hebben we gewoon niet. Met DelftBlue is het in een uur of acht gepiept. Daardoor kunnen we onze ontwerpen steeds verder verfijnen, en wordt het aerodynamische ontwerp van de wagen vele malen beter.”
Sneeuwbaleffect
“Een bijkomend voordeel is dat we niet alleen de aerodynamica kunnen optimaliseren maar ook de aerodynamische prestaties doorrekenen. Onze ontwerpkeuzes hebben impact op rolweerstand, krachtmomenten, enzovoorts. Door deze effecten te simuleren, kunnen we slimmere keuzes maken op het gebied van onder meer voertuigdynamiek, voortstuwing, afstelling van de ophanging en tractiecontrole. De simulaties hebben dus een sneeuwbaleffect op de gehele wagen.” Toegang tot een supercomputer op de campus is des te handiger omdat het Formula Student Team Delft maar een paar maanden de tijd heeft om hun wagen te ontwerpen en te bouwen. “We kunnen een landelijke rekenservice via de cloud gebruiken, maar daar wordt de rekentijd eerlijk verdeeld over de vele gebruikers. Wij hebben juist in een korte periode heel veel rekenkracht nodig.”
Altijd bereikbaar en behulpzaam
Chepiga: “Wat ik erg goed vind aan DelftBlue is het efficiënte gebruik van processors en werkgeheugen. Mijn simulaties vragen veel werkgeheugen maar weinig processors. DelftBlue deelt mijn ruimte op de supercomputer daarom met gebruikers die juist weinig werkgeheugen nodig hebben en veel processors.” Vallinga en van der Zwan prijzen het team rond DelftBlue: “We hebben weinig tijd voor onze simulaties en toch hebben we geen enkele vertraging opgelopen. Dat komt niet alleen door het grote gebruiksgemak en heldere handleidingen, maar ook door de mensen van het Delft High-Performance Computing Centre, waar DelftBlue onderdeel van is. Ze reageren snel, zijn altijd bereikbaar en behulpzaam. Wij zijn er ongelofelijk blij mee. Volgend jaar werken we graag weer met DelftBlue.”
Mijn onderzoek kan niet bestaan zonder DelftBlue
Natalia Chepiga, assistent-professor aan het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen
Graag iets meer
Er wordt ondertussen hard gewerkt om DelftBlue verder te verbeteren en uit te breiden. Is er ruimte voor verbetering? Chepiga hoeft daar niet lang over na te denken: meer opslagruimte. “Het werkgeheugen, dat normaliter duur is om aan te schaffen, is ruim bemeten. Maar de veel goedkopere statische opslag is net te weinig voor mij. Graag iets meer dan 5 terabyte.” Vallinga en van der Zwan moeten er langer over nadenken. “Het is maar een detail: we hebben veel gewerkt op de onderwijspartitie van DelftBlue. Die heeft een maximale simulatieduur van 24 uur maar daar gingen we soms net overheen. Gelukkig is dit opgelost doordat we toegang kregen tot de onderzoekspartitie.”
Dag en nacht
DelftBlue wordt dag en nacht gebruikt, zeven dagen per week. “Er is geen tijdvak waarin ik DelftBlue nog niet gebruikt heb”, vertelt Chepiga. Voldoende rekenkracht vinden is in haar vakgebied altijd de grootste uitdaging, net zozeer als het onmisbaar is voor een optimaal racewagenontwerp. Vallinga: “Reken maar dat de commerciële Formula 1 raceteams veel meer rekenkracht hebben dan wij. Niemand mag er iets over zeggen, maar de lijsten met sponsors verraden veel. DelftBlue staat dan ook trots op onze wagen en sponsorlijst.” Chepiga: “Dit is voor het eerst in mijn carrière dat ik me geen zorgen hoef te maken over rekenkracht. Ik kan zoveel simulaties doen als ik wil.” Dat er gewerkt wordt aan uitbreiding, met een verdubbeling van de rekenkracht, van DelftBlue is dan ook zeer welkom nieuws voor de onderzoeker: “Hoe meer mensen DelftBlue ontdekken, hoe meer gebruikers er komen, ben ik bang.”
Met DelftBlue duren onze berekeningen slechts ongeveer acht uur, in plaats van een week. Daardoor kunnen we onze ontwerpen blijven verfijnen, waardoor het aerodynamische ontwerp van de auto veel beter wordt.
Jasper Vallinga, Formula Student Team Delft
Aan DelftBlue te danken
DelftBlue heeft klaarblijkelijk impact. Chepiga: “Onze simulaties zorgen niet direct voor doorbraken op materialengebied. We zitten in het meest fundamentele hoek van het onderzoekspectrum. We proberen niet te verklaren wat er experimenteel al is waargenomen, we zoeken juist naar verrassingen op fundamenteel niveau. Dankzij DelftBlue hebben we al een nieuw type quantumfase-overgang kunnen voorspellen in zogenaamde Mott-isolatoren. Ons werk is een noodzakelijke stap op weg naar quantumcomputers en nieuwe generaties batterijen.” Daarmee draagt DelftBlue bij aan het aanpakken van steeds complexere maatschappelijke uitdagingen, zoals de energietransitie. En aan het winnen van prijzen, aldus Vallinga: “We hebben onze simulaties afgerond en bouwen momenteel de eerste aerodynamica-elementen. Volgende week gaat de racewagen voor het eerst rijden. Als we straks prijzen winnen — en dat zijn we zeker van plan — dan is dat mede aan DelftBlue te danken.”
Leer meer over DelftBlue op de website van Delft High Performance Computing Centre.
