Non-invasive multigrid for semi-structured grids

Multigrid solvers for hierarchical hybrid grids (HHG) have been proposed to promote the efficient utilization of high performance computer architectures. These HHG meshes are constructed by uniformly refining a relatively coarse fully unstructured mesh. While HHG meshes provide some flexibility for unstructured applications, most multigrid calculations can be accomplished using efficient structured grid ideas and kernels. This paper focuses on generalizing the HHG idea so that it is applicable to a broader community of computational scientists, and so that it is easier for existing applications to leverage structured multigrid components. Specifically, we adapt the structured multigrid methodology to significantly more complex semi-structured meshes. Further, we illustrate how mature applications might adopt a semi-structured solver in a relatively non-invasive fashion. To do this, we propose a formal mathematical framework for describing the semi-structured solver. This formalism allows us to precisely define the associated multigrid method and to show its relationship to a more traditional multigrid solver. Additionally, the mathematical framework clarifies the associated software design and implementation. Numerical experiments highlight the relationship of the new solver with classical multigrid. We also demonstrate the generality and potential performance gains associated with this type of semi-structured multigrid

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

Improving Robustness of Smoothed Aggregation Multigrid for Problems with Anisotropies

The application of multilevel methods to solving large algebraic systems obtained by discretization of PDEs has seen great success. However, these methods often perform sub-optimally when treating problems with anisotropies. For problems posed over unstructured meshes, optimal automatic multigrid coarsening is not a fully solved problem for the smoothed aggregation multigrid. The focus of this thesis is on enhancing robustness of the coarsening in the Smoothed Aggregation (SA) multigrid. We focus on improving the standard detection of coupling, on which the coarsening decisions in SA are based. Our approach takes the form of a two-pass test which allows for a more robust local control over the coupling detection, as well as added exibility permitting utilization of new coupling detection measures in a more systematic way. For isotropic problems, smoothed aggregation coarsening is known to offer very favorable operator complexity, but achieving similar behavior in the presence of anisotropy is more challenging. Special attention is paid to addressing the issue of controlling the complexity of the method. We discuss several existing approaches to curbing coarse-level operator fill-in, and offer generalizations and improvements. Numerical experiments are provided to demonstrate the performance of the improved coarsening on model examples of anisotropic problems featuring both cases where anisotropies are aligned with the grid, as well as cases where they are not

代数的多重格子法と高並列実装手法 (現象解明に向けた数値解析学の新展開 II)

International solutions, reaching across different types of economies and systems of governance in two hundred world nations, have achieved a new urgency: Leading world climate scientists declare that in the next five years, the world is at a tipping point beyond which there is scant redemption from climate catastrophe. It is clear that solutions must quickly focus on a new energy infrastructure, somehow implemented across fundamentally different systems of national governance and economy, to abate rapidly exploding CO2 emissions from unrestrained, cheap fossil-fuel energy use. While the press coverage of the recent Copenhagen and Cancun international climate conferences concentrated on developed nations, this focus on the most visible targets misses the larger, submerged underside of the world climate iceberg. This Article takes a more deeply submerged perspective to focus on what will and will not work to address escalating global power demand in developing countries with radically different economies and systems of government. It examines the successful legal model for infrastructure restructuring to arrest climate change from the ground up. And it focuses on market economies, as well as on one of the last communist economies in the world. There is a profound political, as well as technological, challenge: Market-based solutions may not work in every system of governance in developing countries. Vietnam, as one of the last four communist governments in the world, is a detailed illustration of how to get things right in an important place: Vietnam is larger in population than any country in the European Union and sports the fastest electricity growth rate in the world. It is the acid test of how to get infrastructure policy right in diverse world economic systems. This Article examines a model of legal reforms applicable to all international political systems, and it concludes by charting how to leverage the Clean Development Mechanism (CDM) components of the Kyoto Protocol to expedite this success in developing countries internationally. To do less now at the tipping point is to lose the war on global warming

Review on solving the forward problem in EEG source analysis

Background. The aim of electroencephalogram (EEG) source localization is to find the brain areas responsible for EEG waves of interest. It consists of solving forward and inverse problems. The forward problem is solved by starting from a given electrical source and calculating the potentials at the electrodes. These evaluations are necessary to solve the inverse problem which is defined as finding brain sources which are responsible for the measured potentials at the EEG electrodes. Methods. While other reviews give an extensive summary of the both forward and inverse problem, this review article focuses on different aspects of solving the forward problem and it is intended for newcomers in this research field. Results. It starts with focusing on the generators of the EEG: the post-synaptic potentials in the apical dendrites of pyramidal neurons. These cells generate an extracellular current which can be modeled by Poisson's differential equation, and Neumann and Dirichlet boundary conditions. The compartments in which these currents flow can be anisotropic (e.g. skull and white matter). In a three-shell spherical head model an analytical expression exists to solve the forward problem. During the last two decades researchers have tried to solve Poisson's equation in a realistically shaped head model obtained from 3D medical images, which requires numerical methods. The following methods are compared with each other: the boundary element method (BEM), the finite element method (FEM) and the finite difference method (FDM). In the last two methods anisotropic conducting compartments can conveniently be introduced. Then the focus will be set on the use of reciprocity in EEG source localization. It is introduced to speed up the forward calculations which are here performed for each electrode position rather than for each dipole position. Solving Poisson's equation utilizing FEM and FDM corresponds to solving a large sparse linear system. Iterative methods are required to solve these sparse linear systems. The following iterative methods are discussed: successive over-relaxation, conjugate gradients method and algebraic multigrid method. Conclusion. Solving the forward problem has been well documented in the past decades. In the past simplified spherical head models are used, whereas nowadays a combination of imaging modalities are used to accurately describe the geometry of the head model. Efforts have been done on realistically describing the shape of the head model, as well as the heterogenity of the tissue types and realistically determining the conductivity. However, the determination and validation of the in vivo conductivity values is still an important topic in this field. In addition, more studies have to be done on the influence of all the parameters of the head model and of the numerical techniques on the solution of the forward problem.peer-reviewe

Matrix-free finite-element computations at extreme scale and for challenging applications

For numerical computations based on finite element methods (FEM), it is common practice to assemble the system matrix related to the discretized system and to pass this matrix to an iterative solver. However, the assembly step can be costly and the matrix might become locally dense, e.g., in the context of high-order, high-dimensional, or strongly coupled multicomponent FEM, leading to high costs when applying the matrix due to limited bandwidth on modern CPU- and GPU-based hardware. Matrix-free algorithms are a means of accelerating FEM computations on HPC systems, by applying the effect of the system matrix without assembling it. Despite convincing arguments for matrix-free computations as a means of improving performance, their usage still tends to be an exception at the time of writing of this thesis, not least because they have not yet proven their applicability in all areas of computational science, e.g., solid mechanics. In this thesis, we further develop a state-of-the-art matrix-free framework for high-order FEM computations with focus on the preconditioning and adopt it in novel application fields. In the context of high-order FEM, we develop means of improving cache efficiency by interleaving cell loops with vector updates, which we use to increase the throughput of preconditioned conjugate gradient methods and of block smoothers based on additive Schwarz methods; we also propose an algorithm for the fast application of hanging-node constraints in 3D for up to 137 refinement configurations. We develop efficient geometric and polynomial multigrid solvers with optimized transfer operators, whose performance is experimentally investigated in detail in the context of locally refined meshes, indicating the superiority of global-coarsening algorithms. We apply the developed solvers in the context of novel stage-parallel implicit Runge–Kutta methods and demonstrate the benefit of stage–parallel solvers in decreasing the time to solution at the scaling limit. Novel challenging application fields of matrix-free computations include high-dimensional computational plasma physics, solid-state-sintering simulations with a high and dynamically changing number of strongly coupled components, and coupled multiphysics problems with evaluation and integration at arbitrary points. In the context of these fields, we detail computational challenges, propose modified versions of the standard matrix-free algorithms for high-performance computing, and discuss preconditioning-related topics. The efficiency of the derived algorithms on the node level and at extreme scales is demonstrated experimentally on SuperMUC-NG, one of Germany’s leading supercomputers, with up to 150k processes and by solving systems of up to 5 × 1012 unknowns. Such problem sizes would not be conceivable for equivalent matrix-based algorithms. The major achievements of this thesis allow to run larger simulations faster and more efficiently, enabling progress and new possibilities for a range of application fields in computational science

Algebraic Multigrid (AMG) for Saddle Point Systems

We introduce an algebraic multigrid method for the solution of matrices with saddle point structure. Such matrices e.g. arise after discretization of a second order partial differential equation (PDE) subject to linear constraints. Algebraic multigrid (AMG) methods provide optimal linear solvers for many applications in science, engineering or economics. The strength of AMG is the automatic construction of a multigrid hierarchy adapted to the linear system to be solved. However, the scope of AMG is mainly limited to symmetric positive definite matrices. An essential feature of these matrices is that they define an inner product and a norm. In AMG, matrix-dependent norms play an important role to investigate the action of the smoother, to verify approximation properties for the interpolation operator and to show convergence for the overall multigrid cycle. Furthermore, the non-singularity of all coarse grid operators in a AMG hierarchy is ensured by the positive definiteness of the initial fine level matrix. Saddle point matrices have positive and negative eigenvalues and hence are indefinite. In consequence, if conventional AMG is applied to these matrices, the method will not always converge or may even break down if a singular coarse grid operator is computed. In this thesis, we describe how to circumvent these difficulties and to build a stable saddle point AMG hierarchy. We restrict ourselves to the class of Stokes-like problems, i.e. saddle point matrices which contain a symmetric positive definite submatrix that arises from the discretization of a second order PDE. Our approach is purely algebraic, i.e. it does not require any information not contained in the matrix itself. We identify the variables associated to the positive definite submatrix block (the so-called velocity components) and compute an inexact symmetric positive Schur complement matrix for the remaining degrees of freedom (in the following called pressure components). Then, we employ classical AMG methods for these definite operators individually and obtain an interpolation operator for the velocity components and an interpolation operator for the pressure matrix. The key idea of our method is to not just merge these interpolation matrices into a single prolongation operator for the overall system, but to introduce additional couplings between velocity and pressure. The coarse level operator is computed using this "stabilized" interpolation operator. We present three different interpolation stabilization techniques, for which we show that they resulting coarse grid operator is non-singular. For one of these methods, we can prove two-grid convergence. The numerical results obtained from finite difference and finite element discretizations of saddle point PDEs demonstrate the practical applicability of our approach