Hochleistungsrechner zur Simulation von Laserprozessen in der Nanophotonik

Die Simulation von Laser-Fertigungsverfahren muss eine große Spannweite von Zeit- und Längenskalen berücksichtigen, insbesondere bei neuen Verfahren aus dem Bereich der Mikro- und Nanophotonik. Dies erfordert spezielle Algorithmen, die am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT bereits erfolgreich angewendet werden, sowie ein hohes Maß an Rechenleistung. Im Rahmen des »Zentrums für Nanophotonik« hat das Fraunhofer ILT nun einen Hochleistungs-Rechencluster aufgebaut.

Gerade bei Laserfertigungsprozessen lassen sich wichtige Prozessgrößen in den wenigen Mikrometer kleinen Prozesszonen aufgrund der kleinen Abmessungen und der sehr hohen Temperatur schlecht messen. Zur Optimierung dieser Prozesse werden daher immer häufiger Computersimulationen eingesetzt. Denn diese erlauben es, in die Prozesse »hineinzusehen« und sind im Vergleich zu Experimenten leichter automatisierbar und oft kosteneffizienter. Zudem lassen sich bei Simulationen Schwankungen und Messunsicherheiten ausschließen oder gezielt berücksichtigen.

Multiskalen – kein Problem für den Rechencluster

Simulationen von Laser-Fertigungsverfahren sind meist so genannte Multiskalenprobleme: Eine große Ausdehnung des Bauteils muss mit sehr hoher Auflösung berechnet werden. Bei der Mikrobearbeitung ist eine Auflösung von wenigen Nanometern und ein Berechnungsgebiet mit einer Ausdehnung von mehreren Millimetern nötig. Beispielsweise muss bei der Bearbeitung von Dünnschichtsolarzellen darauf geachtet werden, dass Strukturen in den nur einige 100 Nanometer dünnen Schichten extrem präzise und gleichmäßig abgetragen werden.

»Nano for Macro«

Aber auch bei der Makrobearbeitung, zum Beispiel dem Schneiden von dicken Stahlblechen, wird die Beherrschung kleinskaliger Effekte zunehmend wichtiger, um die Prozessgrenzen zu erweitern. Zur Optimierung des Schmelzaustriebs beim Laserschneiden werden beispielsweise Grenzschichtphänomene von Überschallgasströmungen in der Schneidfuge detailliert analysiert.

Hohe Rechenleistung im »Zentrum für Nanophotonik«

Die benötigte große Anzahl an Gitterpunkten übersteigt hinsichtlich des Bedarfs an Rechenzeit und Speicherplatz die Kapazitäten herkömmlicher Workstations. Die Förderung des neuen Aachener »Zentrums für Nanophotonik« durch das Land NRW ermöglichte nun den Aufbau eines Hochleistungs-Rechenclusters für Simulationen dieser Multiskalenaufgaben am Fraunhofer ILT. Die letzte Ausbaustufe des Hochleistungsrechners wurde im November installiert und in Betrieb genommen. Bei der Ausarbeitung des Konzeptes setzten die Aachener Forscher auf eine heterogene Rechnerarchitektur aus Mehrkernprozessoren und speziellen Hochleistungsrechnern in CUDA-Architektur. Hierbei werden Teile der Berechnungen auf Grafikprozessoren (GPUs) ausgeführt. Dieses moderne Konzept ist für die massiv parallele Ausführung von häufig wiederkehrenden Berechnungsschritten besonders geeignet. Das installierte Clustersystem verfügt über 376 CPUs und acht Grafikprozessorsysteme mit insgesamt 1920 GPUs. Die Speicherkapazität beträgt knapp 2 Terabyte Hauptspeicher und 67 Terabyte Festplattenspeicher. Davon befinden sich 20 Terabyte in redundanten Festplatten-Verbünden. Innerhalb des Clusters erfolgt der Datenaustausch über ein schnelles InfiniBand-Netzwerk. Die theoretische Gesamt-Rechenleistung liegt bei knapp 10 Teraflops, was in etwa der Leistung von 1000 modernen Büro-PCs entspricht. »Das System ist exklusiv und rund um die Uhr verfügbar. Somit können wir für unsere Forschung und unsere Kunden ohne lange Wartezeiten Simulationen speziell für Laserprozesse durchführen. Das erleichtert unsere Forschungsarbeit enorm und spart darüber hinaus Zeit und Geld«, resümiert Dr. Jens Schüttler, Projektleiter am Fraunhofer ILT.

Anwendungsfelder

Mit dem neuen Hochleistungsrechnersystem können komplexe Fragestellungen aus der Lasermaterialbearbeitung mit hoher Auflösung in kurzer Rechenzeit simuliert werden. Anwendungsbeispiele sind die molekulardynamische Simulation des Abtragens mit ultrakurzen Pulsen, die Auslegung von Mikrobearbeitungsprozessen sowie das Design von Gasströmungen und Schneidgasdüsen. Ebenso lässt sich die Propagation der Laserstrahlung auf Wellenlängenskala und Stabilität der Schmelzdynamik beim Laserstrahlschneiden simulieren. Interessant ist dieses Angebot für Anlagenhersteller und Endanwender von Laserbearbeitungsmaschinen, die ihre Prozesse analysieren, optimieren und weiterentwickeln möchten.

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dr. Jens Schüttler
Modellierung und Simulation
Telefon +49 241 8906-680
jens.schuettler@ilt.fraunhofer.de
Dipl. Phys. Ulrich Jansen
Modellierung und Simulation
Telefon +49 241 8906-680
ulrich.jansen@ilt.fraunhofer.de
Prof. Dr. Wolfgang Schulz
Modellierung und Simulation
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