Grafikprozessoren für die Hirnforschung

Darin werden Experten von Nvidia und des Jülich Supercomputing Centres (JSC) auch Anwendungen aus anderen Bereichen wie der Astrophysik, Teilchenphysik und den Material- und Biowissenschaften für Superrechner mit Grafikprozessoren optimieren. Der Einsatz von Grafikprozessoren (GPUs) als sogenannter Accelerator ermöglicht eine enorme Beschleunigung für eine Vielzahl von Anwendungen auf Superrechnern. GPUs sind auf stark parallelisierbare Aufgaben wie etwa 3D-Berechnungen spezialisiert. Um ihre Leistungsfähigkeit für wissenschaftliche Berechnungen zu nutzen, sind neben entsprechender Hardware auch spezielle Programmiermodelle wie CUDA (Compute Unified Device Architecture) erforderlich, die es Programmierern erlauben, Programmteile auf den GPUs abarbeiten zu lassen. Bei effizienter Nutzung aller Recheneinheiten kann so auch erheblich Strom gespart werden. "Das neue Lab wird es erleichtern, neue und bestehende wissenschaftliche Anwendungen so zu optimieren, dass sie von der Beschleunigung durch GPUs profitieren", schätzt Prof. Thomas Lippert, Direktor des Jülich Supercomputing Centre. "Die Kooperation wird hunderte Forscher aus ganz Europa in die Lage versetzen, die Rechenleistung für verschiedene Forschungszwecke durch den Einsatz von GPUs entscheidend zu steigern." Die Wissenschaftler können dafür auf Jülicher Superrechner zurückgreifen, unter anderem auf den Jülicher Hybridrechner JuDGE (Juelich Dedicated GPU Environment), bei dem herkömmliche Prozessoren durch Nvidia Tesla GPUs verstärkt werden. "Das Forschungszentrum Jülich ist eines der richtungsweisenden Höchstleistungsrechenzentren in Europa und hat beeindruckende Erfolge bei der Lösung anspruchsvollster wissenschaftlicher Probleme erzielt", betont Steve Scott, Chief Technology Officer von Tesla GPU Computing bei Nvidia, einem der größten Entwickler von Grafikprozessoren weltweit. "Das neue Lab mit seinem Fokus auf den bahnbrechenden Leistungsvorteilen von GPUs wird Jülich in seiner Rolle als eine der weltweit führenden Einrichtungen bei der Schaffung der Grundlagen für die nächste Welle wissenschaftlicher Entdeckungen weiter stärken." Pilotprojekt: Jülicher Hirnforschung Jülicher Forscher am Institut für Neurowissenschaften und Medizin setzen GPUs bereits in einem Pilotprojekt ein. Sie beschleunigen damit Berechnungen für ein extrem hochaufgelöstes, mehrdimensionales Hirnmodell, an dem sie seit vielen Jahren arbeiten. Die Wissenschaftler analysieren Tausende histologische Hirnschnitte mit modernen bildgebenden Verfahren, unter anderem mit einer selbst entwickelten Technik mit polarisiertem Licht, dem 3D-Polarized Light Imaging (3D-PLI), mit der sie den räumlichen Verlauf der Verbindungen von Nervenfasern bis in den Mikrometerbereich hinein erfassen. Millionen Faserbahnen simultan über kurze und lange Strecken im Gehirn zu verfolgen ist sehr rechenaufwendig. Durch den Einsatz von ultraschnellen Grafikprozessoren lässt es sich um das 50fache beschleunigen. "3D-PLI ist die einzige Möglichkeit, Bilder mit der Auflösung von wenigen tausendstel Millimetern von Nervenfasern im menschlichen Gehirn zu erhalten und den Verlauf dann über mehrere Zentimeter zu verfolgen. Die 3D-Rekonstruktion und das Rendern, beides Bestandteile der Berechnung der Bilder für den ersten Hirnatlas dieser Art weltweit, in Echtzeit stellt jedoch eines der größten Probleme der computergestützten Berechnungen dar", berichtet Prof. Katrin Amunts, Direktorin des Jülicher Instituts für Neurowissenschaften und Medizin – Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1). Die Optimierung der Anwendungen in den Neurowissenschaften sollen im "Nvidia Application Lab" als Vorbild dienen für andere herausragende GPU-beschleunigte Projekte aus breit gefächerten Forschungsbereichen.