Allein das Flaggschiff der heutigen Teilchenphysik, der weltweit leistungsstärkste Beschleuniger LHC in Genf, erzeugt jährlich eine Datenmenge von über 300 Petabyte (300 Millionen Gigabyte). Das entspricht mehr als zehn Million Blu-ray Discs pro Jahr. Mit dem Umbau zur Steigerung der Kollisionsrate – dem Hochluminositäts-LHC – wird diese Datenflut noch weiter anwachsen, was eine erhebliche Verbesserung der eingesetzten Software und Algorithmen erfordert, um sie zu bewältigen. Gleichzeitig steigt die in der Forschung mit Photonen und der Astroteilchenphysik produzierte Datenmenge ebenfalls rapide an, und auch der Bedarf an Rechenleistung in der Forschung zu zukünftigen Beschleunigern und Beschleunigertechnologien wird immer größer. So speichert DESY aktuell über 100 Petabyte an Daten von den Röntgenlichtquellen European XFEL und PETRA III. Die Computing-Infrastruktur IDAF bei DESY vereint drei verschiedene Rechnerkomplexe, die optimal darauf zugeschnitten sind, diesen Herausforderungen zu begegnen.

DESY Grid

Um die in der Teilchenphysik produzierte Datenflut zu bewältigen, kommt das Konzept des Grid-Computing zum Einsatz. Dabei sind weltweit verteilte Computer so zusammengeschlossen, dass sie wie ein sehr großer Supercomputer verwendet werden können. Die Daten der Experimente werden nicht wie früher an einem Ort gespeichert und verarbeitet, sondern auf mehrere Zentren verteilt und von dort aus an verschiedene Einrichtungen und schließlich an die beteiligten Forschenden weitergeleitet. Auch DESY steuert große Rechen- und Speichersysteme zu diesem globalen Computernetz bei, ergänzt durch zentrale Infrastrukturen für die Experimente, Support und Beratung.

DESY betreibt standortübergreifend in Hamburg und Zeuthen ein sogenanntes Tier-2-Zentrum für die LHC-Experimente ATLAS, CMS und LHCb. Es ist eines der größten unter den Zentren im LHC-Grid und wird von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt genutzt. Außerdem dient die Grid-Infrastruktur bei DESY dem Belle II-Experiment in Japan als Rohdaten-Zentrum sowie weiteren Experimenten der Teilchenphysik und Astroteilchenphysik.

NAF – National Analysis Facility

Der Rechnerkomplex NAF bei DESY wurde im Rahmen der Helmholtz-Allianz „Physik an der Teraskala“ aufgebaut, einem deutschlandweiten Netzwerk von Teilchenphysikerinnen und -physikern, die am LHC und an Plänen für zukünftige Teilchenbeschleuniger arbeiten. Die NAF ist eng an die Grid-Infrastruktur bei DESY angebunden und stellt allen Allianz-Mitgliedern sowie der weltweit verteilten Belle II-Kooperation Computerressourcen für die Physikanalyse zur Verfügung. Auch weitere, kleinere Teilchenphysikexperimente bei DESY, wie die Axionen-Experimente ALPS II, BabyIAXO und MADMAX, nutzen die NAF. Denn nicht immer ist es nötig, die Berechnungen für die Analyse der Daten auf dem großen, weltumspannenden Grid laufen zu lassen. Möchten die Fachleute zum Beispiel neue Ideen für Algorithmen und Computerverfahren ausprobieren, können sie das auf einer überschaubaren Rechnerstruktur meist deutlich unkomplizierter und rascher erledigen als im globalen Grid. Dazu dient die NAF bei DESY.

Die NAF gewährleistet den Teilchenphysikerinnen und -physikern einen vereinfachten, schnellen und interaktiven Zugang zu den Messdaten der Experimente und stellt zusätzliche Ressourcen zur Verfügung, um diese Messdaten zu analysieren. Bei Bedarf bietet das NAF-Team Unterstützung in Form von Support und Schulungen, insbesondere für den wissenschaftlichen Nachwuchs.

Maxwell HPC Cluster

DESY betreibt außerdem den Maxwell HPC Cluster, einen Hochleistungsrechnerverbund für Anwendungen, die vom Grid oder von der NAF nicht abgedeckt werden können. Dank der ultraschnellen Vernetzung der Computer untereinander und mit den Speichersystemen lässt sich der Cluster insbesondere für die Datennahme und Echtzeit-Datenanalyse der Experimente in der Forschung mit Photonen an den Anlagen PETRA III, FLASH und European XFEL einsetzen, bei denen die Datensätze teils mit extrem schneller Wiederholrate aufgenommen werden. Der Cluster ermöglicht außerdem Anwendungen des maschinellen Lernens auf spezialisierten Grafikkartensystemen sowie die Durchführung massiv paralleler Rechenaufgaben, z.B. für die Erforschung der Plasmabeschleunigung oder Berechnungen der Molekulardynamik. DESY stellt dazu ein breites Spektrum von Anwendungssoftware und Diensten zur Verfügung und bietet Support und Schulungen an.