Forschung
Wissenschaftler:innen stehen am Forschungszentrum Jülich umfangreiche hochspezialisierte Forschungsinfrastrukturen zur Verfügung. Einrichtungen wie die Helmholtz Nano Facility (HNF), das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) oder das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) ergänzen einander und stehen als Infrastrukturen von Weltklasse auch externen Forschenden zur Verfügung. Anfang 2022 hat Europas erster Quantenannealer mit mehr als 5.000 Qubits als Teil von JUNIQ, der Jülicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputer, seinen Betrieb aufgenommen.
Für Europa strategisch und forschungspolitisch bedeutende Forschungsinfrastrukturen befinden sich auf der Roadmap der ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures). Dazu zählen EMPHASIS zur Pflanzenphänotypisierung, PRACE zum Verbund europäischer Superrechner sowie IAGOS zur Erforschung der Erdatmosphäre, die alle von Jülich koordiniert werden. Seit 2021 befindet sich auch EBRAINS, die digitale Forschungsinfrastruktur des Human Brain Project (HBP), auf der ESFRI-Roadmap. Auf der deutschen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen steht seit 2019 das Ernst Ruska-Centrum 2.0.
Quadratmeter Reinraum der Klassen ISO 1–3 bietet die HNF
Die Helmholtz Nano Facility (HNF) stellt Wissenschaftler:innen Instrumente und Wissen für die Herstellung und Erforschung von Nanostrukturen zur Verfügung. Die HNF ist eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur zur Erforschung, Herstellung und Charakterisierung von Nano- und atomaren Strukturen für die Informationstechnologie. Der Schwerpunkt der Arbeit an der HNF liegt im Bereich Quantum Computing, dessen Bauelemente auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen und Qubits zum Rechnen benutzen.
Als „state-of-the-art“ Reinraumfacility mit 1.000 m2 Reinraum der Klassen ISO 1-3 bietet die HNF Ressourcen in Produktion, Synthese, Charakterisierung und Integration von Strukturen, Geräten und Schaltungen.
2021, in Prozent
1) Bioelektronik: Die Verbindung von biologischen und elektronischen Systemen | Zellmechanik: Verhalten von Zellen unter verschiedenen mechanischen Bedingungen | Nano/Mikroelektronik: elektronische Bauelemente mit einem sehr geringen Energiebedarf für die Verarbeitung oder Speicherung von Information | Energietechnik: Systeme zur Erzeugung von Energie | Photovoltaik: Umwandlung von Licht in Energie/Steigerung der Effizienz von Solarzellen | Mikrofluidik: Verhalten von Flüssigkeiten auf kleinstem Raum | Quantenoptik: Systeme für die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie | Quantencomputing: Schaltungen, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen | Neuromorphes Computing: Rechner und Schaltungen nach dem Vorbild des Gehirns
2021, in Prozent
2) Die Nutzung der HNF und der Anteil externer Nutzer:innen/Firmen war 2021 aufgrund der Corona-Auflagen für den Zugang der externen Nutzer:innen und Firmen deutlich reduziert.
europaweite Einrichtungen zur Pflanzenphänotypisierung in der EMPHASIS-Datenbank
europäische Länder sind Mitglied der EMPHASIS Support Group.
transnationale Forschungsprojekte in EPPN2020 mit Wissenschaftler:innen aus 37 Ländern
Die „European Infrastructure for Multi-Scale Plant Phenomics and Simulation for Food Security in a Changing Climate“ (EMPHASIS) ist eine gesamteuropäische verteilte Infrastruktur für Pflanzenphänotypisierung. Hierbei wird das äußere Erscheinungsbild von Pflanzen, beispielsweise die Architektur von Wurzeln oder die Anzahl der Blätter, analysiert und vermessen. Der Aufbau der europäischen Infrastruktur wird am Jülicher Institut für Bio- und Geowissenschaften im Rahmen des EU-geförderten Projekts EMPHASIS-PREP koordiniert. EMPHASIS unterstützt Wissenschaftler:innen dabei, Pflanzen in verschiedenen Umgebungen zu untersuchen, um eine effizientere Pflanzenproduktion in einem sich wandelnden Klima zu ermöglichen, auch in Zukunft Nahrungsmittelsicherheit zu gewährleisten und eine nachhaltige europäische Agrarwirtschaft anzustoßen. Informationssysteme zur Datenerfassung und eine Plattform mit mathematischen Modellen werden auf europäischer Ebene durch EMPHASIS verknüpft. Wissen und neue Technologien werden geteilt und die wissenschaftliche Ausbildung unterstützt. So erhalten Forschende aus Europa beispielsweise Zugang zu den Einrichtungen des „Jülich Plant Phenotyping Center“ (JPPC).
EMPHASIS baut auf den EU-Forschungsinfrastrukturprojekten EPPN/EPPN2020 auf und wird das Portfolio an Phänotypisierungsinfrastrukturen erweitern, nationale Infrastrukturen integrieren und eine nachhaltige und langfristige Nutzung der Infrastrukturen gewährleisten.
Quantencomputing und Quantenannealing gelten als Rechenmethoden der Zukunft, wenn es darum geht, extrem komplexe Probleme zu lösen. Bis die Technologien ausgereift sind, ist es noch ein weiter Weg, aber erste experimentelle Systeme, Prototypen und kommerzielle Geräte können schon heute genutzt werden. Die „JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing“ (JUNIQ) verschafft Nutzer:innen aus Deutschland und Europa den Zugang zu verschiedenen dieser Quantenmaschinen. Somit ermöglicht JUNIQ, seit Herbst 2019 im Aufbau, Wissenschaft und Industrie einen frühzeitigen Einstieg in die Praxis des Quantencomputing. Zu JUNIQ gehört seit Anfang 2022 ein Quantenannealer des Unternehmens D-Wave mit mehr als 5.000 Qubits. Er befindet sich im eigens errichteten JUNIQ-Gebäude. Weitere Systeme stehen in Jülich, andere befinden sich in Partnereinrichtungen. Teil dieser Infrastruktur sind auch die Jülicher Supercomputer, die mit Quantensystemen verknüpft werden können. JUNIQ unterstützt darüber hinaus Nutzer:innen bei der Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen fürs Quantencomputing.
Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) stellt Wissenschaftleri:nnen am Forschungszentrum Jülich, an Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland und in Europa sowie der Industrie Rechenkapazität der höchsten Leistungsklasse zur Verfügung und unterstützt sie bei ihren Forschungsvorhaben. Es reagiert dabei kurzfristig auf neue Nutzeranforderungen wie den Einsatz von Cloud-Diensten oder Künstlicher Intelligenz (KI), interaktivem Supercomputing oder der Entwicklung von Konzepten und Diensten für eine langjährige Datenkuration. 1)
von einem unabhängigen Expertengremium begutachtete Rechenzeitprojekte
| Deutschland | 1.200 | |
| Europa (ohne Deutschland) | 220 | |
| Länder außerhalb Europas | 50 |
Seit Einführung der Top500-Liste der schnellsten Supercomputer der Welt gehören die am JSC betriebenen Systeme stets zu den 20 schnellsten dieser Liste. Aktuell steht neben dem JURECA-System mit JUWELS ein System zur Verfügung, das zusammen mit einem GPU-basierten Booster-Modul eine Rechenleistung von 85 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (85 Petaflops 2)) bereitstellt. Ende 2021 konnte ein Forschungsteam zeigen, dass der JUWELS Booster der schnellste KI-Supercomputer in Europa ist.
Eine wachsende Rolle beim Betrieb von Hoch- und Höchstleistungsrechnern spielt die Energieeffizienz (Flops pro Watt). Mit dem JUWELS-Booster steht in Jülich eines der energieeffizientesten Systeme der Welt zur Verfügung. Es wird für ein großes Anwendungsspektrum eingesetzt, angefangen von Grundlagenforschung über Klima- und Materialforschung bis hin zu Lebens- und Ingenieurwissenschaften.
Im Juni wurde das Forschungszentrum Jülich – Partner im deutschen Gauss Centre for Supercomputing – als Standort des ersten europäischen Exascale-Rechners ausgewählt. Der Supercomputer soll die Grenze von 1 Trillion Rechenoperationen pro Sekunde – einer Eins mit 18 Nullen – brechen. Beschafft werden soll das System von der europäischen Supercomputing-Initiative EuroHPC JU (European High Performance Computing Joint Undertaking). Der Exascale-Rechner wird dazu beitragen, bedeutende und drängende wissenschaftliche Fragen zu lösen, etwa zum Klimawandel, zur Bewältigung von Pandemien und zur nachhaltigen Energieerzeugung, und den intensiven Einsatz von Künstlicher Intelligenz sowie die Analyse großer Datenmengen ermöglichen.
1) Aktivitäten, die erforderlich sind, um Forschungsdaten langfristig zu pflegen, sodass sie für die Wiederverwendung und Erhaltung verfügbar bleiben.
2) Die Rechenleistung von Computersystemen wird in Gleitkommaoperationen pro Sekunde (kurz FLOPS, englisch für Floating Point Operations per Second) angegeben. Dieser Wert gibt an, wie viele Gleitkommazahloperationen (Additionen oder Multiplikationen) von einem System in einer Sekunde ausgeführt werden können.
anteilig, Stand November 2021
Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) betreibt Neutronenstreuungsinstrumente an Spitzenquellen in Deutschland, Europa und weltweit und bietet diese einer großen Nutzergemeinschaft an. Neutronen dienen als mikroskopische Sonden, um Forschung zu weicher und kondensierter Materie, Biowissenschaften und Energiematerialien durchzuführen. Neutronenforschung leistet wichtige Beiträge, um die großen gesellschaftlichen Herausforderungen zu bewältigen, etwa mit der Erforschung moderner Hochleistungsmaterialien für die Energiespeicher, oder in der Umweltanalytik.
Das JCNS entwirft, baut und installiert mit seinen Partnern neue Instrumente an Neutronenquellen, beispielsweise für die Europäische Spallationsneutronenquelle ESS in Lund, Schweden, oder für eine zukünftige hochbrillante beschleunigergetriebene Neutronenquelle (HBS).
2021 in Tagen
| 1-3 Tage | 0 % | |
| 4-7 Tage | 92 % | |
| 8-15 Tage | 8 % |
2021, in Prozent1)
2021, in Prozent 2)
1) Wegen der COVID-19 Pandemie und eines technischen Problems war der Reaktor FRM II am MLZ in 2021 nicht in Betrieb. Die Zahlen beziehen sich auf den Betrieb der JCNS-Instrumente am ILL, die nicht alle Forschungsgebiete abdecken.
Das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) ist die nationale Forschungsinfrastruktur für höchstauflösende Elektronenmikroskopie. Es wird vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen gemeinsam betrieben. Mit den vom ER-C bereitgestellten und weiterentwickelten elektronenoptischen Instrumenten können Strukturen auf atomarer und molekularer Ebene untersucht und beschrieben werden. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen zum Beispiel, innovative Werkstoffe zu entwickeln und medizinische Wirkstoffe zu untersuchen. Mit PICO steht dafür im ER-C eines von weltweit nur drei Elektronenmikroskopen zur Verfügung, die neben der sphärischen Aberration noch den zweiten wichtigen Linsenfehler korrigieren, die chromatische Aberration. Im Projekt ER-C 2.0 wird die Infrastruktur des Centrums im Rahmen der nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen gezielt ausgebaut.
Das ER-C schafft Anreize für Unternehmen, die sich mit neuartigen Werkstoffen und Technologien beschäftigen, sich im Rheinischen Revier anzusiedeln und zur Entwicklung einer Kompetenzregion für innovative Werkstofftechnologien und letztlich zum Gelingen des Strukturwandels beizutragen.
2021, in Prozent
2021, in Prozent
2021, in Prozent
EBRAINS ist eine neue digitale Forschungsinfrastruktur, die im Rahmen des EU-finanzierten Human Brain Project (HBP) geschaffen wurde. Ziel ist, die Hirnforschung und die Umsetzung der wissenschaftlichen Erkenntnisse in Innovationen in vom Gehirn inspiriertes Computing, Medizin und Industrie zu fördern. Dafür arbeitet die multidisziplinär ausgerichtete Neurowissenschaft eng mit den Entwicklern modernster Informationstechnologien zusammen und nutzt leistungsstarke Computer, um das stetig wachsende Wissen über das Gehirn aus verschiedenen Forschungsbereichen zusammenzufügen.
Als erste Forschungsinfrastruktur dieser Art weltweit bietet EBRAINS über ein Webportal Zugriff auf die bisher umfassendste Datenbasis zum menschlichen Gehirn sowie auf leistungsstarke digitale Werkzeuge, etwa für Simulation oder KI-basierte Analysemethoden. Die vom Jülich Supercomputing Centre koordinierten „EBRAINS Computing Services“ bilden die rechenstarke Grundlage von EBRAINS und ermöglichen es, Plattformen und Lösungen der verschiedenen EBRAINS-Dienste in komplexe Arbeitsabläufe zu integrieren. Auch der vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin entwickelte extrem hochauflösende 3D-Atlas des menschlichen Gehirns, speziell für Neurowissenschaftler:innen entwickelte Supercomputing-Verfahren und vom Gehirn inspirierte „neuromorphe“ Computer gehören zu den Angeboten.
Stand April 2022
koordiniert die Jülicher Beiträge zur europäischen Spallationsquelle ESS, (der weltweit stärksten Neutronenquelle)
bündelt die bildgebenden Verfahren der Neurowissenschaften und der Medizin
verbindet Infrastruktur und Expertise zu atomar auflösenden strukturbiologischen Methoden
betreibt an den Synchrotronquellen DESY (Hamburg), ELETTRA (Triest, Italien) sowie BESSY (Berlin) modernste Photoemissionsspektroskope und Photoemissions-Elektronenmikroskope
Teilchenbeschleuniger und Speicherring (zur Erzeugung von Protonen- und Deuteronen-Strahlen)
zur Untersuchung von Prozessen in der Atmosphäre
mit Ultra-Hochfeld-Spektroskopie für die Strukturbiologie
zur Entwicklung von Membransystemen für neue energieeffiziente Technologien
für die Materialforschung im Bereich Energietechnologien
macht Daten aus der gesamten europäischen Erdsystemforschung über die European Open Science Cloud (EOSC) weltweit frei zugänglich
Technologielabor zum Forschungsspektrum Quantencomputing von Quantenmaterialien bis Quantencomputersystemen
FOTOS:Forschungszentrum Jülich/Axer et al., Forschungszentrum Jülich/ Sascha Kreklau, Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe-Limbach
