Paralelizace kalibrace a simulace neurčitostí modelu pro predikci povodní

Výzva: VI. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Štěpán Kuchař
Alokace: 117 000 core hours Na světě existuje mnoho druhů přírodních katastrof a mnoho z nich závisí na zeměpisné poloze sledované oblasti. Povodně jsou jedním z nejhorších a nejčastěji se opakujících typů přírodních katastrof v našem regionu. Proto je důležité poskytovat přesné a včasné informace o současné situaci záplav. Tento projekt se zabývá metodami paralelizace kalibrace a neurčitosti v modelování srážko-odtokových modelů, hydrodynamických modelů a zpracování vstupních dat s větší přesností. Cílem je zajistit přesnější výsledky, které mohou být poskytnuty krizovým štábům. Kromě toho mohou metody pro modelování neurčitosti poskytnout nejhorší a nejlepší možné scénáře o vývoji situace. Hydrodynamické modely mohou popsat chování povodňové vlny a vizualizovat zaplavené oblasti.

Ultra-rychlá demagnetizace

Výzva: VI. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Dominik Legut
Alokace: 1 250 000 core hours I přes nedávný pokrok ve vývoji nových materiálů pro uložení dat, průmysl stále masivně využívá magnetických zařízení. Příkladem jsou pevné disky (HDD). I po představení tzv. SSD disků, které zrychlily čtení a zápis, avšak mají menší kapacitu, se předpokládá, že disky založené na efektu obří magnetické rezistence nebo tunelovací magnetické rezistence zůstanou po nějakou dobu ještě na trhu. Zlepšení parametrů HDD je tedy důležitou otázkou. V našem výzkumu se chceme zaměřit na studium interakce mezi laserovým paprskem a magnetickým médiem. Pomocí laserového paprsku budeme měnit magnetický moment v materiálu na atomové úrovni a tím budeme schopni zapsat datový tok. Tato technologie zápisu bude extrémně rychlá a povede k větší kapacitě datových médií.

Numerické simulace v planetologii

Výzva: III. kolo Veřejné grantové soutěže
Hlavní řešitel: Marie Běhounková
Alokace: 64 000core hours Výrazná vulkanická aktivita na Jupiterově měsíci Io, aktivita u jižního pólu Saturnova měsíce Enceladus i pravděpodobná přítomnost vody na Jupiterově měsíci Europa a na dalších ledových měsících ukazují na přítomnost silného zdroje energie vlivem slapové deformace. Metodou numerických simulací zkoumáme teplotní vývoj a vnitřní dynamiku silně slapově zahřívaných těles. Soustředíme se na tavení ledu a transport vody a dlouhodobou udržitelnost vodních oceánů na ledových měsících sluneční soustavy. Cílem tohoto projektu je interpretace dat získaných z vesmírných misí a zlepšení chápání planetárních procesů.

Kožní simulace

Výzva: III. kolo Veřejné grantové soutěže
Hlavní řešitel: Žofie Sovová
Alokace: 64 000core hours Vrchní vrstva kůže, stratum corneum, je tvořená zrohovatělými buňkami (korneocyty), které jsou spojeny lipidovou matricí. Tato matrice, která je tvořená především ceramidy, cholesterolem a volnými mastnými kyselinami, může být narušena látkami z vnějšího prostředí, např. detergenty a kosmetikou. Vzniklá nerovnováha může vést k závažným kožním onemocněním. Cílem projektu je ověřit stabilitu a charakterizovat modely lipidové matrice strata corneum navržené na základě experimentů. Projekt je řešen teoretickou metodou coarse-grainové molekulární dynamiky, která umožňuje zobrazit molekuly v systému. Výsledky budu možno využít ve farmakologii a fyziologii, kde pomohou porozumět kožním onemocněním, ale i v průmyslu, kde by mohl iniciovat tvorbu nové kosmetiky a čisticích prostředků.

Výpočet schopnosti fosfopeptidů vázat se na proteiny skupiny 14-3-3

Výzva: II. kolo Veřejné grantové soutěže
Hlavní řešitel: Jozef Hritz
Proteiny skupiny 14-3-3 jsou součástí každé eukaryotické buňky. Hrají důležitou roli v buněčném cyklu při regulaci, řízeném odumírání buněk a při genové expresi. Tyto proteiny jsou ale rovněž spojovány s onkogenními a neurodegenerativními chorobami. Cílem tohoto výzkumu je za pomocí superpočítače vypočítat vazebnou afinitu těchto proteinů s vybranými fosfopeptidy. Příprava dostatečného množství fosforylovaných peptidů pro laboratorní testy je téměř nemožná. Po ověření vypočtených dat bude možné stejnou metodu použít pro téměř všech 850 známých vazebných partnerů. Výsledky mají své použití v neurobiochemii při výzkumu neurodegenerativních onemocnění.

Modelování kvality ovzduší v prostředí městských aglomerací

Výzva: II. kolo Veřejné grantové soutěže
Hlavní řešitel: Jaroslav Resler
Kvalita ovzduší je důležitým faktorem ovlivňujícím zdraví a kvalitu života velké části populace. Doprava se na znečišťování ovzduší významně podílí hlavně ve velkých městech. Zásadním nástrojem pro kvantitativní určení dopadu dopravy i dalších zdrojů znečištění na kvalitu ovzduší jsou simulace, jejichž výsledky pomáhají při efektivním zavádění nápravných opatření. Hlavním cílem projektu je vytvořit pilotní simulaci kvality ovzduší pomocí Eulerovského chemického transportního modelu (CTM) ve velmi vysokém rozlišení se zaměřením na silně urbanizované oblasti. Pro simulace bude využita verze numerického modelu počasí speciálně konfigurovaná pro městské oblasti a návazný CTM umožňující modelovat koncentrace primárních i sekundárních látek v ovzduší. Takto koncipovaný modelový systém by měl přinést nové možnosti při zkoumání závislostí emisních zdrojů a znečištění ovzduší.

Simulace průtoku krve pro specifickou geometrii pacienta

Výzva: II. kolo Veřejné grantové soutěže
Hlavní řešitel: Jaroslav Hron
Motivací tohoto výzkumu je otázka, zda matematické modelování může lékařům pomoci s rozhodováním při léčení určitých stavů kardiovaskulárního systému, jmenovitě aneurysmatu. Aneurysma je specifické lokální rozšíření cévní stěny, jehož prasknutí (ruptura) může být fatální. S rostoucí popularitou počítačové tomografie a magnetické rezonance je aneurysma často diagnostikováno jako vedlejší diagnóza. Nabízí se otázka, zda je možné identifikovat indikátory poukazující na zvýšené riziko jeho případné ruptury. Geometrie každého případu je unikátní a vyžaduje přesné výpočty. Důležitou roli, zde hrají reologické poměry krve a přidružené chemické reakce jako například proces koagulace a také interakce s cévními stěnami. Přesná identifikace, které z těchto faktorů jsou pro rozhodnutí lékařů o léčbě nejdůležitější, vyžaduje rozsáhlé výpočty, které jsou náročné na výpočetní zdroje.

Modelování a tvarová optimalizace periodických nanostruktur

Výzva: III. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Lukáš Halagačka
Tento projekt je zaměřen na modelování a optimalizaci optické a magnetooptické odezvy periodických struktur. Protože šíření světla v komplexních strukturách nelze popsat pomocí jednoduchých modelů, je potřeba pokročilé metody numerické modelování. Pro zvolenou oblast výzkumu byl vyvinut, implementován a optimalizován simulační software založen na metodě vázaných módů (RCWA, Rigorous Coupled Wave Algorithm). Modelováním a tvarovou optimalizací byly studovány 1D periodické nanostruktury, které skýtají aplikační potenciál v oblastech optických telekomunikačních technologií, ochranných holografických prvcích a solárních článcích 3. generace s vyšší účinností.

Podpora projektu EXA2CT

Výzva: III. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: David Horák
V současnosti je pouze jedno procento kódů připraveno pro nasazení na stroje s desítkami či stovkami tisíc jader, přičemž již jsou k dispozici superpočítače s více než třemi milióny jader. Projekt EXA2CT se zabývá vývojem nových a optimalizací stávajících algoritmů s cílem efektivně využít tyto stroje a rovněž budoucí generace superpočítačů označované jako exascale systémy. Nejslabší částí paralelních výpočtů je komunikace probíhající mezi výpočetními jádry, proto se první fáze projektu věnuje přeuspořádání existujících škálovatelných algoritmů tak, aby se tato výměna informací mezi jádry skryla či omezila.

BEM4I

Výzva: III. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Michal Merta
Cílem projektu BEM4I je vývoj stejnojmenné knihovny paralelních řešičů založených na metodě hraničních prvků. Tuto metodu lze efektivně využít např. k modelování šíření zvuku kolem karoserie auta, šíření elektromagnetických vln, vedení tepla nebo při optimalizaci tvaru nejrůznějších součástek. Protože se však jedná o výpočetně a paměťově poměrně náročný proces, je třeba jej vhodně paralelizovat a přizpůsobit pro provoz na clusteru ANSELM. Po dokončení může knihovna sloužit také komerčním partnerům IT4Innovations.

Simulace chování čistých a dopovaných klastrů molekul vody při nenulovém tlaku

Výzva: III. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Aleš Vítek
Tento projekt je zaměřen na počítačové modelování fyzikálně-chemických vlastností sub-nano systémů, shluků (klastrů) molekul vody s příměsovou částicí. Konkrétně se jedná o příměsi tvořené atomy vzácných plynů, molekulou metanu a oxidu uhličitého. V makroskopickém měřítku molekuly vody vytváří „klecovou“ strukturu obsahující tyto hydrofobní částice. Cílem projektu bude zkoumání, za jakých termodynamických podmínek (nenulová teplota a tlak) shluky několika málo molekul vody (řádově 20 molekul) vytvoří kolem příměsové molekuly obdobnou klec tvořenou molekulami vody. Pro numericky náročné simulace budou mimo jiné použity nejaktuálnější výpočetní metody rozvíjené na ústavu IT4Innovations. Tento dílčí projekt je součástí širší spolupráce s Consejo Superior de Invetsigationes Científicas, Madrid (prof. Pablo Villarreal) a svou povahou spadá do základního výzkumu. Rozpouštění např. molekul oxidu uhličitého či molekul metanu ve vodě při nízkých teplotách a tlacích však souvisí s velmi aktuálními tématy, jako je např. globální oteplování či hledání nových zdrojů energie.

Nízkodimensionální magnetické systémy

Výzva: II. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Dominik Legut
Jedno a dvourozměrné magnetické systémy jsou vhodnými kandidáty pro další vývoj současné technologie obří magnetorezistence (GMR) nebo také tunelovací magnetoresistence (TMR). Obě tyto metody jsou komerčně využívány pro výrobu čtecích či záznamových hlav pevných disků, senzory pro zrychlení a pro detekci orientace slabých magnetických polí. Tento výzkum spočívá v napodobení chování více vrstevnatých materiálů použitím sloučenin, které vykazují jedno nebo dvourozměrné magnetické uspořádání. Tyto materiály vykazují vysokou magnetickou frustraci, tj. orientaci magnetického momentu. S využitím prvoprincipiálních (ab initio) výpočtů jsme schopni stanovit míru této frustrace, velikost magnetických interakcí a tedy přesně určit magnetické uspořádání v těchto nízkodimenzionálních systémech.

Využití knihovny MatSol pro vývoj a testování algoritmů

Výzva: II. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: Oldřich Vlach
Knihovna MatSol, kterou výzkumníci z IT4I vyvinuli pro výpočty úloh z oblasti mechaniky, je napsána v MatLabu, který umožňuje rychlý vývoj kódu. Naopak v jazycích C nebo Fortran je implementace a debugging časově náročnější. Knihovna MatSol bude proto použita pro testování nových algoritmů, aby bylo možné rozhodnout, zda je daný algoritmus vhodný pro implementaci v náročnějším jazyce, nebo je potřeba jej upravit.

Modelování srážkových procesů v nízkoteplotním plazmatu vzácných plynů

Výzva: II. kolo Interní grantové soutěže
Hlavní řešitel: René Kalus
Nízkoteplotní plazma na bázi vzácných plynů se zdá být nadějným prostředkem pro využití v medicíně. Bylo například experimentálně prokázáno, že je velmi efektivní při sterilizaci povrchů, léčení ran, ale také například při inaktivaci nádorových buněk. Cílem tohoto projektu je modelování elementárních srážkových procesů, převážně pak vzájemných srážek částic plazmatu a jejich interakce s elektromagnetickým zářením. Výsledky tohoto mikroskopického modelování umožní následně studium plazmatu na makroskopické úrovni a optimalizaci jeho generátorů (bude provedeno ve spolupráci s Univerzitou Paula Sabatiera v Toulouse, Francie). Posun našeho poznání lze tudíž očekávat nejen v oblasti základního výzkumu, ale také při vývoji nových technologií na něm založených.

 

 

Norasit's Gallery (NorGal)

Axiálně a radiálně chlazené brzdové kotouče GCS

Brzdové kotouče s vnitřním chlazením, jinak větrané kotouče, jsou v současné době nejúčinnějším brzdovým systémem a v automobilovém průmyslu jsou široce využívány. V porovnání s bubnovými brzdami jsou mnohem lehčí a jejich systém chlazení je účinnější. Na druhou stranu jsou ale dražší a také náchylnější k poruchám způsobeným nečistotami. Výzkum se zaměřuje na optimalizaci proudění vzduchu v brzdovém kotouči a difuzéru s ohledem na pevnost kotouče a únavu materiálu. Matematické simulace na superpočítači významně pomohou navrhnout geometrii kotouče a difuzéru, jelikož poskytnou zdokonalenou vizualizaci proudění vzduchu, konvekce, kondukce a sálání tepla v prototypu. Bude tak možné minimalizovat deformace tvaru kotouče vlivem vysokých teplot a tlaku. Brzdový systém GCS může znamenat stejný krok vpřed na poli technologií brždění, jakým byl přechod z nevětraných k dnes již zavedeným větraným brzdovým kotoučům, jelikož autoři předpokládají, že GCS posiluje výhody větraných kotoučů a současně potlačuje jejich nevýhody.

letadla

Testování kódů pro výpočty proudění tekutin

Hlavním cílem tohoto projektu je testování škálovatelnosti volně dostupných a komerčních kódů zaměřených na výpočty proudění tekutin (CFD - Computational Fluid Dynamics). Využití superpočítače v oblasti CFD výpočtů je velice důležité, vzhledem k rozsáhlým nárokům tohoto typu výpočtů na výpočetní čas. Znalost chování použitých algoritmů v dostupných knihovnách hraje důležitou roli v budoucím efektivním využití malého clusteru při CFD výpočtech.Výsledky budou zpracovány do volně dostupné databáze zahrnující typické úlohy z oblasti proudění tekutin a budou použity pro budoucí spolupráci s externími partnery IT4Innovations.

 
c

Teplotní roztažnost materiálů pro reaktory 4. generace

4. generace rychlých jaderných reaktorů je založena na chlazení tavenými alkalickými solemi, v nichž je rovněž distribuováno jaderné palivo, například ve formě uranium - karbidových částic. Tato metoda umožňuje mnohem lepší přenos tepla i vyšší provozní teploty, a tím efektivnější průběh primárního cyklu. Možnými materiály pro toto použití jsou již zmíněné uranium – karbidové sloučeniny, které mají vysoké teploty tání cca 2500K.Některé z těchto sloučenin ale vykazují velmi neobvyklé změny rozměrů s růstem teploty. Hlavním cílem tohoto výzkumu je porozumění tomuto chování a také mapování fázových přeměn těchto sloučenin za použití prvoprincipiálních (ab initio) výpočtů, tj. postupech na základech kvantové mechaniky.

 
Washington State Flood

Testování výkonu a škálovatelnosti hydrologického modelu se vzdáleným přístupem

HPC (high performance computing) jako služba je novou oblastí hydrologického modelování, které má velký přínos pro koncové uživatele jako jsou povodňové komise, hasičské sbory, ale také široká veřejnost. Tito uživatelé potřebují výsledky hydrologických simulací získat v reálném čase, tak aby je mohli použít k informovanému rozhodování v krizových situacích.Testy této architektury pomohou posoudit a vylepšit její škálovatelnost, identifikovat možné nedostatky a celkově ji zefektivnit, tak aby bylo možné rychle reagovat na požadavky jejích uživatelů.

 
Blutzuckertest

Mechanismy enzymatických reakcí zkoumané pomocí Car-Parrinello ab initio molekulové dynamiky

Sacharidy hrají stěžejní úlohu v mnoha biologických procesech. Na povrchu buněk jsou často ve formě velmi rozvětvených glykokonjugátů. Na syntéze těchto glykokonjugátů se podílí řada enzymů. Narušení těchto enzymových aktivit může vést až k život ohrožujícím patologickým onemocněním jako jsou například diabetes, Alzheimerova choroba nebo rakovina.Cílem této studie je prozkoumat reakční mechanismy těchto enzymů na atomární úrovni, což může pomoci například při vývoji léků.

 
_MG_8838_laser

Simulace urychlování částic pomocí krátkých, velmi intenzívních laserových pulzů

Prostorová velikost a finanční náročnost současných konvenčních urychlovačů částic značně znesnadňuje jejich použití v medicíně, například pro léčbu nádorových onemocnění. Hlavním cílem tohoto výzkumu je pochopit režim urychlení částic vysoce intenzivním laserem. Tento výzkum může významně přispět k vývoji budoucích vysoce kvalitních a méně nákladných zdrojů protonůa rentgenového záření z urychlených elektronových paprsků. Ty se dají použít pro zobrazování velmi malých struktur o velikosti řádu nanometrů, například biologických vzorků, a také pro výzkum hmoty v astrofyzice.

 
Health care professionals working in laboratory.

Vývoj léků in silico

Systém vývoje léčiv pomocí počítačů si získal velkou pozornost díky svým výhodám, kterými jsou rychlost, nízké náklady a možnost vybrat vhodné složky pro syntézu a následný biologický screening. Cílem tohoto projektu je identifikování moderních ligandů, které se váží s léčebně relevantními proteiny. Tým se dlouhodobě zabývá výzkumem složek aktivních při léčbě rakoviny a syndromu získané imunitní nedostatečnosti (AIDS).

 
flocon

FloCon – projekt Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu

FloCon je projekt zaměřený na ovlivnění mezní vrstvy na křídle moderních dopravních letadel pomocí vyfukování. Cílem je zvýšení aerodynamických výkonů a snížení dopadu na životní prostředí. Bude připraven, testován a ověřen výpočetní model pro moderní 3D numerické simulace proudění tekutin, který bude následně implementován do aerodynamického optimalizačního procesu.