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

Dynamics of a surface-gradient-driven liquid film rising from a reservoir onto a substrate

On a tilted heated substrate, surface tension gradients can draw liquid up out of a reservoir. The resulting film thickness profile is controlled by the tilt of the substrate, the imposed temperature gradient, and the thickness of a postulated thin precursor layer. We study the evolution of this film in time, using a lubrication model. A number of distinct behaviours are possible as the substrate tilt angle and other parameters are varied. We use recent results for the multiple stationary profiles possible near the meniscus and examine how these can interact with the advancing front. We show that it is in fact possible to systematically determine the evolution of the entire film profile from the meniscus to the apparent contact line. This allows a categorisation of the range of behaviours for a transversely-uniform profile, in a two-dimensional parameter space. In addition to combinations of meniscus profiles involving capillary fronts and double shock structures, we describe a new combination of a Type I meniscus with a rarefaction fan, and either undercompressive or classical waves for the advancing front, that arises for certain ranges of large substrate tilt and of precursor thickness

Entwicklung und Beurteilung der Fluoreszenzurethroskopie bei Humanen Papillomvirus-Infektionen

Weltweit erkranken jährlich ca. 30 Millionen Patienten an klinischen HPV-Infektionen in Form von Genitalwarzen. Diese Genitalwarzen sind jedoch nur ein kleiner Anteil an HPV-Infektionen. Der weitaus größere Anteil verläuft entweder subklinisch oder latent. Die Virulenz klinischer und subklinischer HPV-Infektionen ist epidemiologisch gesichert. Für die hohen Rezidivraten und damit für eine zunehmende Verbreitung der HPV-Erkrankungen werden diagnostisch und therapeutisch übersehene subklinische HPV-Infektionen verantwortlich gemacht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit der Fluoreszenzurethroskopie eine Methode zur Detektion von subklinischen HPV-Läsionen in der Urethra vorgestellt. Zur Durchführung der Fluoreszenzurethroskopie wurde eine spezielle Applikationsmethode eingeführt. Durch die Verwendung der Fluoreszenzdiagnostik in der Urethra nach topischer Applikation von 5-Aminolävulinsäure konnte eine verbesserte Erkennbarkeit von Harnröhren-kondylomen erzielt werden. Mit dieser Technik werden nicht nur kleinere und flache klinische Effloreszenzen seltener übersehen, sondern subklinische HPV-Läsionen der Urethra generell erst sichtbar gemacht. Der Fluoreszenznachweis erfolgte in situ, mikroskopisch und spektroskopisch. Des Weiteren erfolgten Biopsien mit anschließender PCR- sowie nested-PCR-Analyse zum Nachweis von HPV-DNA mit größtmöglicher Sensitivität. An Hand von zwei retrospektiven Studien konnte der Erfolg dieser Methode bestätigt werden. Durch die Verwendung der fluoreszenzgestützten Diagnostik nach Instillation von 5-ALA in die Harnröhre wurden neben den klinischen Befunden auch subklinische Effloreszenzen dargestellt. Mit der Fluoreszenzurethroskopie konnte gezeigt werden, dass die PPIX-Anreicherung auf das Epithel der Harnröhren-kondylome beschränkt ist. Spektroskopisch konnte eine 17,7-mal höhere Anreicherung im Vergleich zum Normalgewebe bestimmt werden. Bei der fluoreszenzmikroskopischen Untersuchung der entnommenen Proben konnte eine HPV-Infektion in allen Befunden lokalisiert werden. An Hand der retrospektiven Untersuchungen wurde belegt, dass Patienten von der PDD-unterstützten Lasertherapie im Vergleich zur konventionellen Lasertherapie profitieren. Die Rezidivhäufigkeit war signifikant niedriger. Die Fluoreszenzurethroskopie nach topischer Applikation von 5-ALA hat sich als wertvolle Ergänzung der HPV-Diagnostik in der Urethra erwiesen. Ich hoffe, dass die Ergebnisse und Folgerungen meiner Arbeit hierzu einen großen Beitrag leisten. Der hohe technische Aufwand der fluoreszenzdiagnostisch gestützten Lasermethoden ist bei Problemfällen mit Rezidiven und zur Vermeidung von therapieresistenten Komplikationen sicher gerechtfertigt, bleibt aber wohl spezialisierten Zentren auch aus Kostengründen vorbehalten

Wettbewerbssituation im Schweizer Automobilgewerbe (Berichtsjahre 2008 – 2011): Rechtliche und ökonomische Analyse der Kfz-Bekanntmachung (2008-2011) – Voraussichtliche Marktauswirkungen bei Wegfall der Kfz-Bekanntmachung sowie bei Übernahme des EU-Wettbewerbsrecht (ab 2013)

Gutachte

Intermediate-asymptotic structure of a dewetting rim with strong slip

When a thin viscous liquid film dewets, it typically forms a rim which spreads outwards, leaving behind a growing dry region. We consider the dewetting behaviour of a film, when there is strong slip at a liquid-substrate interface. The film can be modelled by two coupled partial differential equations (PDEs) describing the film thickness and velocity. Using asymptotic methods, we describe the structure of the rim as it evolves in time, and the rate of dewetting, in the limit of large slip lengths. An inner region emerges, closest to the dewetted region, where surface tension is important; in an outer region, three subregions develop. This asymptotic description is compared with numerical solutions of the full system of PDEs

Destruction of cyanobacterial toxins by semiconductor photocatalysis.

The rapid destruction of microcystin, a cyanobacterial toxin, using a titanium dioxide photocatalyst is observed; the process is extremely efficient with high concentrations of toxin completely undetectable within 10-40 min, depending on the initial concentration

Evaluierung christlicher Mittel- und Osteuropa-Solidaritätsgruppen – 1999–2001

[Abstract fehlt