Wykorzystanie mocy obliczeń eksaskalowych w celu maksymalizacji efektywności energetycznej
Potrzeby energetyczne na całym świecie będą się zwiększać, nie tylko do 2020 r., ale znacznie dłużej. W sprawozdaniu Międzynarodowej Agencji Energii (MAE) szacuje się, że do 2040 r. światowe zapotrzebowanie na energię ma wzrosnąć o 37%. Potrzebne są intensywne symulacje numeryczne i prototypowanie, aby ocenić rzeczywistą wartość nowych źródeł energii i poprawić ich wydajność. Potencjalne korzyści płynące z eksaskalowych obliczeń wysokowydajnych (ang. high performance computing, HPC) i algorytmów intensywnego przetwarzania danych w przemyśle energetycznym są powszechnie znane. W finansowanym przez UE projekcie HPC4E zastosowano nowe eksaskalowe techniki HPC do symulacji wykorzystywanych w przemyśle energetycznym. „W ramach projektu unowocześniono istniejące techniki, umożliwiając prowadzenie symulacji HPC w eksaskali dla różnych źródeł energii”, wyjaśnia koordynator projektu dr José Cela. „Naszym celem było zadbanie o to, aby oprogramowanie wykorzystywane w energetyce było gotowe do efektywnego wykorzystania komputerów eksaskalowych. Oznacza to modyfikację oprogramowania zarówno na poziomie algorytmu, jak i programowania równoległego”. Zapotrzebowanie na nowe rozwiązania obliczeniowe rośnie wraz ze wzrostem ilości danych Przemysł gazowo-naftowy jest jednym z najbardziej aktywnych nabywców technologii HPC w ostatnich latach. Przetwarzanie danych sejsmicznych stanowi niezwykle wymagające zadanie pod względem zapotrzebowania na moce obliczeniowe. Jego podstawowym zadaniem jest przekształcanie zapisów danych sejsmicznych (tj. ścieżek „dźwiękowych” rejestrujących reakcję Ziemi na zewnętrzne impulsy) w mapy podpowierzchni. „Możliwość prowadzenia badań 3D oznacza, że ilość zarejestrowanych danych rośnie niezwykle dynamicznie”, mówi dr Cela. Choć przejście z trybu 2D na 3D przynosi korzyści, takie jak zmniejszenie niepewności w badaniach, generuje również znacznie większe ilości danych, które muszą zostać przetworzone. „Dane o wysokiej częstotliwości generują znaczne koszty ogólne w zakresie czasu obliczeniowego, zwiększając się około szesnastokrotnie za każdym razem, gdy podwajamy taką częstotliwość”. W ramach projektu HPC4E opracowano akustyczno-elastyczne oprogramowanie 3D „Full WaveFrom Inversion” do generowania trójwymiarowych map fizycznych właściwości terenu. Pozwoli ono wyeliminować część niepewności w poszukiwaniu węglowodorów. „Oprogramowanie zostało zaprogramowane tak, aby działało wydajnie na komputerach eksaskalowych, skracając czas realizacji tych problemów do przedziału czasowego akceptowalnego w branży. W ramach projektu HPC4E stworzono oprogramowanie geofizyczne do wykorzystania w poszukiwaniach ropy naftowej i gazu ziemnego, które wyznacza nowy standard dla przemysłu. Oprogramowanie pozwala firmom zmierzyć, jak wydajne są kody działające na komputerach eksaskalowych, i w razie potrzeby je ulepszyć”. Można również poprawić konkurencyjność energii wiatrowej dzięki dokładnej ocenie zasobów wiatru, konstrukcji turbin i układu farmy oraz krótkoterminowym symulacjom mikroskalowym wiatru w celu prognozowania dziennej produkcji energii. W projekcie HPC4E zastosowano nowe podejście łączące modele obliczeniowej dynamiki płynów na poziomie farmy wiatrowej z danymi meteorologicznymi na poziomie regionalnym. Wykorzystując moc wysokowydajnych obliczeń, badacze stworzyli ALYA, pakiet oprogramowania, który wykazuje doskonałą skalowalność dla ponad 100 000 procesorów. Wszystkie te ulepszenia pozwalają na zmniejszenie błędu o około 10%. „Pracowaliśmy również nad potrzebami przemysłu biogazowego”, mówi dr Cela. „Opracowując kompletny model spalania biogazu, stworzyliśmy warunki niezbędne do zagwarantowania bezpiecznego spalania”, dodaje. W ramach projektu przeanalizowano skład chemiczny biogazu składającego się z różnych pierwiastków i zastosowano wyniki do symulacji palników przemysłowych. „Wykorzystanie superkomputerów jest wysoce skuteczne podczas stosowania oprogramowania do symulacji różnych zjawisk spalania”, wyjaśnia dr Cela.
Słowa kluczowe
HPC4E, energia, obliczenia, ropa i gaz, biomasa, energia wiatrowa, turbiny, superkomputery, obliczeniowa dynamika płynów, eksaskalowe obliczenia o wysokiej wydajności
