Paderborn Center for Parallel Computing

PC2-Simulationen identifizieren Verlustmechanismen in Siliziumsolarzellen

Mon, 08 Apr 2013 09:10:00 +0200

Physiker der Universit�t Paderborn und des Helmholtz Zentrums Berlin (HZB) haben mit einer hochempfindlichen Messmethode an so genannten Heterokontakt-Siliziumsolarzellen wichtige Defektzust�nde nachgewiesen, denen die gesamte Solarzellenforschungs-Community schon lange auf der Spur war. Unterst�tzt durch aufw�ndige quantenmechanische Computersimulationen am Paderborner Zentrum f�r Paralleles Rechnen (PC²), konnten sie erstmals die Natur dieser Defekte mit atomarer Genauigkeit bestimmen. Diese lagern sich genau an der Grenze zwischen dem Siliziumkristall und der nur wenige Nanometer d�nnen, ladungstrennenden Schicht aus amorphem, d. h. ungeordnetem Silizium an. �Diese Ergebnisse k�nnen wir im n�chsten Schritt auch auf andere Typen von Siliziumsolarzellen anwenden und so Wege finden, den Wirkungsgrad weiter nach oben und die Kosten nach unten zu treiben�, sagt Dr. Alexander Schnegg vom HZB. Solarzellen aus Silizium k�nnten theoretisch 30 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln, doch tats�chlich sorgen unter anderem Defekte an der Oberfl�che der kristallinen Siliziumwafer daf�r, dass der Wirkungsgrad deutlich niedriger liegt. Eine neue Generation von Solarzellen ist gerade dabei, den Markt zu erobern. Im Gegensatz zu herk�mmlichen Solarzellen wird auf deren Oberfl�che eine nur 10 nm d�nne amorphe Siliziumschicht aufgedampft. Das amorphe Silizium ist in der Lage, sowohl die Defekte an der Oberfl�che teilweise abzus�ttigen als auch den Solarstrom direkt abzuleiten. Solche Solarzellen erreichten im industriellen Ma�stab eine Effizienz von �ber 20 % und werden in Zukunft eine wichtige Rolle auf dem Markt der Hochleistungssolarzellen spielen. Bisher konnte aber nur vermutet werden, welche Defektzust�nde die Elektronen bei ihrer Reise durch die Grenzfl�che zwischen geordneter und ungeordneter Siliziumschicht behindern. Die Paderborner Physiker Dr. Uwe Gerstmann, Dr. Eva Rauls und M. Sc. Martin Rohrm�ller aus der Theoriegruppe von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt haben nun in Zusammenarbeit mit Physikern des Helmholtz Zentrums Berlin einen raffinierten Weg gefunden, die Defekte an der Grenzfl�che direkt aufzusp�ren und ihre elektronische Struktur zu bestimmen. �Wenn sich Elektronen an den Defekten anlagern, k�nnen wir ihren Spin, also ihr kleines magnetisches Moment, wie eine Sonde nutzen, um sie zu studieren� erkl�rt Alexander Schnegg. Mit einer hochempfindlichen Messmethode, der elektrisch detektierten magnetischen Resonanz (EDMR), hinterl�sst der Defekt im Strom der Solarzelle einen winzigen magnetischen Fingerabdruck. Mit dessen Hilfe konnten die Theoretiker der Universit�t Paderborn detaillierte Informationen �ber die Position der Defekte innerhalb der Schichten und ihre Ladungsverlustmechanismen gewinnen. �Wir haben im Wesentlichen zwei unterschiedliche Familien von Defekten klassifiziert�, sagt Uwe Gerstmann von der Universit�t Paderborn: �W�hrend eine Art von Defekten eher schwach lokalisiert in der amorphen Schicht sitzt, befindet sich eine zweite Familie direkt an der Grenzfl�che, gerade noch in der Kristallmatrix�. Die Arbeit ist am 20. M�rz 2013 in Physical Review Letters erschienen (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i13/e136803).

Complex Data Object Analysis: Determining Memory Footprint and Data Direction

Mon, 11 Feb 2013 11:42:00 +0100

The programming model for heterogeneous systems currently requires explicit data transfers. As a consequence, the application developer has to implement data management and migration between accelerators. When using basic data structures like arrays, this task is rather simple. However, for complex data structures the implementations complexity advances. A linked list for instance requires serialization before transfers. To ease programmability of heterogeneous systems, efforts are made to enable an implicit data transfer. For example, OpenACC and Intel compilers provide #pragma-directives to describe such operations. But this solution still requires additional code (#pragma's) and only provides limited support for data structures, e.g. it lacks for automated serialization. To enable implicit data transfers with less restrictions, a three step solution is imaginable. First, data transfer objects have to be identified and their memory footprint and data direction have to be determined. Second, prior transferring data, data layouts have to be transformed, e.g. complex data objects must be serialized. Third, code must be automatically injected to call the copy-operations on the target architecture. Regarding the first step, recent research results provide a method to automatically determine the needed parameters for complex data objects. The results will be presented and a short outlook on how to implement steps two and three is given.

Sebastian Dre�ler is a researcher at the Hardware-Optimized Algorithms Group in the Computer Science Dept. at the Konrad-Zuse-Zentrum f�r Informationstechnik Berlin (ZIB). He received his M. Sc. degree in 2011 from Technical University Berlin and is working since August 2011 at ZIB. His major interests are within the domains of heterogeneous systems and signal processing.

Feierstunde zur Inbetriebnahme des neuen Hochleistungsrechners

Wed, 06 Feb 2013 10:24:00 +0100

Nach dem Umzug in das neue Campus-Geb�ude O wird nun auch ein neuer Hochleistungsrechner im Paderborn Center for Parallel Computing (PC�) der Universit�t Paderborn installiert. Alle Interessenten sind zu der Feierstunde herzlich eingeladen. Weitere Informationen finden Sie hier.

Tagung des ZKI Arbeitskreises Supercomputing

Thu, 03 Jan 2013 08:28:00 +0100

Veranstalter der Veranstaltung sind "Zentren f�r Kommunikation und Informationsverarbeitung e.V. - ZKI" und "Paderborn Center for Parallel Computing - PC�" der Universit�t Paderbon. Weiter Informationen finden Sie unter http://pc2.uni-paderborn.de/events/zki-sc-2013

Autonomous Resource Management in Dynamic Data Centers

Wed, 02 Jan 2013 10:48:00 +0100

Im Software as a Service (SaaS) Modell erm�glichen IT-Dienstleister ihren Kunden einen einfachen und spontanen Zugriff auf Anwendungssoftware.%Der Dienstleister �bernimmt den Betrieb der kompletten IT-Infrastruktur, die f�r die Anwendung n�tig ist und Benutzer greifen �ber standardisiert Schnittstellen darauf zu. Um flexibel auf Benutzeranfragen reagieren und die zur Verf�gung stehende IT-Infrastruktur effizient nutzen zu k�nnen, werden Virtualisierungstechniken eingesetzt.
Dadurch wird das Rechenzentrum aber auch zu einer stochastischen Umgebung, in der es sehr schwierig ist eine Servicequalit�t (QoS) zu garantieren. Diese Arbeit leitet eine Verbindung zwischen klassischer Regelkreistheorie und dem Einhalten einer QoS in der SaaS-Schicht her. St�rungen werden durch �nderungen von Ressourcenzuweisungen und Konfigurationen ausgeregelt.Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Regelkreisen, in denen erhebliche Totzeiten auftreten. Die Regelkreise wurden in Software-Agenten eines Multiagentensystems (MAS) integriert. Diese interagieren mit einem Scheduler-Agenten, der eine zeitliche Zuteilung der Ressourcen unter Ber�cksichtigung einer Kostenfunktion bestimmt. Die Platzierung der VMs auf den physikalischen Servern �bernimmt ein regelbasierter Mapping-Algorithmus. Die Regelkreise wurden mit zwei unterschiedlichen Anwendungen, einer High Performance Computing (HPC) Anwendung und einem E-Commerce-Benchmark, evaluiert.%Die rgebnisse zeigen, dass sowohl die manuell erstellten als auch die autonom gelernten Regelkreise St�rungen erfolgreich ausgeregeln k�nnen. In Zusammenarbeit mit einem Scheduler-Agenten, der eine Energiefunktion als Kostenfunktion ber�cksichtigt und einem Mapping-Algorithmus, der VMs unter Ber�cksichtigung einer Energiemetrik platziert, wurde experimentell gezeigt, dass ein SLO-einhaltender und energieeffizienter SaaS-Stack aufgebaut werden kann.

PC� Kolloquium: Konzept und Implementierung eines Systems zur Anforderung und Verwaltung von virtuellen privaten Clustern

Fri, 14 Dec 2012 08:38:00 +0100

Diese Arbeit befasst sich mit Anwendungsm�glichkeiten neuester Virtualisierungstechnologien und deren Nutzbarkeit f�r den Bereich Forschung und Lehre. Im Zentrum steht dabei das Konzept eines virtuellen privaten Clusters (VPC), welcher dem virtuellen Abbild einer beliebigen physischen Infrastruktur entspricht. Da es aufgrund der existierenden Virtualisierungsl�sungen nicht mehr notwendig ist, jede Infrastruktur, bestehend aus Computern oder Netzwerken, physisch bereitzustellen, kann es aus Gr�nden wie der Kosteneffizienz und schnelleren Verf�gbarkeit sinnvoll sein, eine entsprechende virtuelle L�sung zu verwenden. Damit etwa eine Universit�t von diesen Vorz�gen profitieren kann, sollte eine geeignete M�glichkeit zur einfachen Anforderung und Nutzung solcher Infrastrukturen (VPCs) bereitgestellt werden. Die Arbeit untersucht die Anforderungen an ein System, das diese Funktionalit�t im Kontext von Forschung und Lehre zur Verf�gung stellt. Auf der Grundlage der dabei gewonnenen Resultate werden m�gliche Implementationsans�tze vorgestellt und deren Eignung f�r eine potentielle Umsetzung festgestellt.

Supercomputer f�r Paderborn

Mon, 03 Dec 2012 13:02:00 +0100

Nach dem Umzug in das neue Campus-Geb�ude wird nun auch ein neuer Hochleistungsrechner im Paderborn Center for Parallel Computing (PC�) der Universit�t Paderborn installiert. Das Gesamtvolumen der Investition betr�gt 4 Mio. Euro (nach Art. 91b gef�rdert). An der Finanzierung beteiligen sich neben der Universit�t Paderborn auch die Partnerhochschulen Universit�t Bielefeld, Hochschule Hamm-Lippstadt, Hochschule Ostwestfalen-Lippe und Fachhochschule Bielefeld. Anwendungsschwerpunkte der Nutzung sind die Natur�und Ingenieurwissenschaften. Kernkomponente ist ein Rechnersystem der Firma ClusterVision bestehend aus 614 Rechenknoten (10.000 Intel-Xeon Prozessorkerne, 45 Terabyte Hauptspeicher, 0,5 Petabyte paralleles Filesystem), wobei einige Knoten mit Beschleunigerkarten (NVIDIA K20 und Intel Xeon Phi) ausgestattet sind. Angebunden wird das System an ein neu entstehendes Campus-weites Speichersystem (Storage4Research). Mehr Details zur Konfiguration des Systems unter:
http://pc2.uni-paderborn.de/hpc-systems-services/available-systems/hpc-cluster/

PC� Kolloquium: Robust Feedback Control of Virtualized Applications

Thu, 15 Nov 2012 10:31:00 +0100

In the last years, various products in the context of cloud computing were released to the market. These cloud computing products cover different markets, but they usually have the possibility of a flexible service allocation in common and promise to reduce costs. An established categorization of cloud computing services is to distinguish between Software as a Service, Platform as a Service, and Infrastructure as a Service. We deal with the Software as a category in this thesis, where a complete application, containing all maintenance and resource provisioning is offered to the customer. The quality of services for these offerings is usually defined by application specific Service Level Objectives (SLOs).

From the provider's perspective, the necessary resources to fulfill an SLO is important to know. While falling below the SLO may cause a contract penalty, over provisioning results in high infrastructure costs.

This thesis makes use of control theory to compute a sufficient resource set for a given SLO. We designed a feedback control system for this. An important property of feedback control systems is stability, which can be shown by analytical methods from the control theory.

We illustrate the whole workflow of system model derivation, controller design and stability analysis exemplary for the applications GROMACS and RUBiS. This evaluation shows that feedback control in general is a sufficient way for resource provisioning in cloud systems. The stability analysis shows a relation between infrastructure delays and system stability and gives the possibility to determine the range of acceptable delays for a given controller.

Risk Aware Overbooking

Mon, 03 Sep 2012 08:52:00 +0200

Academia as well as the economy profit from the abilities of today�s computeraided
design processes and simulations. When the need for compute resources is
not continuous but occurs in peak loads, it is more efficient for a large number
of research groups to share an infrastructure or to rent the compute power on
demand instead of maintaining an own infrastructure. Compute resource providers cover the resulting demand. They trade compute
power on the basis of automatically negotiable contracts including estimated
resources, fees and penalties, runtime, and deadlines. Statistics show that users
lack the ability to accurately estimate a job�s runtime and tend to overestimate.
This leads to low utilization of the provider�s infrastructure. However, a high
utilization is important to be competitive and profitable. Two overbooking approaches for the scheduling and negotiation
mechanisms of a compute provider are introcuced. Overbooking exploits the runtime
overestimations by using statistics on the user estimation quality to calculate
the probability of failure and success when a job is planned with less runtime.
Accepting additional, promising jobs increases the utilization of the underlying
compute infrastructure, increases the provider�s profit, and minimizes the risk of
job failures due to overload. The potential of the presented overbooking approaches is shown based on simulations
with real-world job traces. The evaluation demonstrates that academic
and commercial resource providers can benefit from overbooking. Careful overbooking
allows to successfully execute more jobs even if a few of the additional
accepted jobs fail. It is possible to double a provider�s utilization and profit by
overbooking.

OpenMP Workshop

Sat, 28 Apr 2012 11:15:00 +0200

OpenMP provides a standard, well-known easy-to-use parallel programming  model for shared-memory multiprocessors and is supported by all major  compilers. However, it is sometimes being said that this is  not scalable enough for HPC. The goal of this tutorial is to educate programmers for better understanding of language characteristics and the implications of their decisions when choosing different parallelization patterns with OpenMP, both in terms  of correctness and performance. After reviewing key OpenMP concepts, we will  cover particularly tasking and the new features of OpenMP 3.1. A selection  of tools supporting OpenMP debugging and correctness analysis will be  presented as well. After the hands-on session, the tutorial will close with an outlook on upcoming features of OpenMP 4.0.

Christian Terboven is the deputy head of the HPC department at the Center  for Computing and Communication at RWTH Aachen University. His research  interests are centered around Parallel Programming, with a focus on shared-memory  architectures, paradigms, programming languages, and related software engineering aspects. Christian Terboven has been involved in the analysis,  tuning, and parallelization of several large-scale simulation codes for  various architectures. Since 2006, he is a member of the OpenMP Language  Committee. In this context he is involved in the Affinity subcommittee,  working on explicit support for NUMA architectures, and the Interoperability  and Compos-ability subcommittee, taking care of integration with other  parallel programming models and developments in the base languages. 

Please register for the workshop at pc2-sek@uni-paderborn.de until April, 23^rd .

The workshop is free of charge.