n nearly all scientific disciplines, numerical simulation plays an important role for verifying design constraints, performing quantitative and qualitative measurements and asking what-if questions. The basis for successful implementation is contributed by well understood numerics research in computer science. This has enabled the development of highly accurate simulation codes with predictable error bounds. Nowadays concrete numerical simulation problems produce enormous amounts of result data because of the continuous increase in computing power of large scale computing facilities. The results must be processed with scientific methods for visual display, in order to allow easy interpretation. The resources needed for these methods surpass the capabilities of current generation desktop systems by far. Additionally, the comparably low bandwidth of the I/O channels of supercomputers strongly suggest to perform the post-processing on the large machine. Additionally, nowadays available computer architectures provide a large variety of special purpose hardware. Many of these features have been introduced to deal with common bottlenecks. High-performance applications therefore have to employ these features in order to make full use of the processing potential of current hardware. Without using these features, the application will not be able to utilize the gain in processing speed of the next hardware generation. This thesis examines several principal strategies for handling distribution and parallelization. A classification is worked out to demarcate the areas of application. Using these strategies, a library for integrated simulation, visualization and rendering on supercomputers and desktop systems is implemented. It offers a clear separation of functionality by employing several abstraction levels to the programmer. Therefore, this thesis presents a substantial contribution to scientific computing to cope with grand-challenge problems. It supplies the enabling key technology for efficient post-processing for visualization and rendering on the supercomputer.

In fast allen wissenschaftlichen Disziplinen spielt die Numerische Simulation eine wichtige Rolle zur Verifikation von Beschränkungen, quantitativen und qualitativen Messungen und zur Ermittlung kausaler Zusammenhänge. Die Basis dafür liefert die Numerikforschung in der Informatik. Damit wurde die Entwicklung hoch genauer Simulationscodes mit vorhersagbaren Fehlerschranken möglich. Heutige konkrete numerische Simulationsprobleme können aufgrund der stetig gestiegenen Rechenleistung von Großcomputern enorme Mengen von Ergebnisdaten produzieren. Diese müssen mit wissenschaftlichen Methoden aufbereitet und visuell dargestellt werden, um eine einfache Interpretation zu ermöglichen. Die dafür benötigten Ressourcen übersteigen die Fähigkeiten von Desktopsystemen aber bei weitem. Außerdem legen die vergleichsweise schmalbandigen Ein- und Ausgabekanäle von Supercomputern eine direkte Verarbeitung auf dem Großrechner nahe. Zusätzlich stellen die heute verfügbaren Computerarchitekturen eine Vielzahl von speziellen Hardwarefähigkeiten zur Verfügung. Viele von ihnen wurden eingeführt um bestimmte Engpässe zu umgehen. Hoch performante Programme müssen deshalb diese Fähigkeiten einsetzen um die versprochene Leistung aktueller Architekturen zu nutzen. Ohne deren Einsatz wird das Leistungsplus der folgenden Generation nicht zu einem Geschwindigkeitsvorteil für die Applikation führen. Diese Dissertation untersucht mehrere wichtige Strategien, um Verteilung und Parallelisierung zu handhaben. Mittels einer Klassifikation der Strategien werden deren Einsatzgebiete abgegrenzt. Damit wird eine Bibliothek für integrierte Simulation, Visualisierung und Rendering auf Supercomputern und Desktopsystemen implementiert. Sie verwendet eine klare Schichtung von Funktionalität und bietet mehrere Abstraktionsniveaus für den Programmierer. Diese Dissertation leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Bewältigung von grand-challenge Problemstellungen indem sie die Schlüsseltechnologie zur effizienten Ausführung von Visualisierungs- und Renderingmethoden auf dem Supercomputer zur Verfügung stellt.