Applicare la fluidodinamica d’avanguardia all’esascala
La fluidodinamica computazionale (CFD, computational fluid dynamics), che prevede l’applicazione dell’analisi numerica e dei megadati per valutare e risolvere i problemi legati ai flussi di fluidi, è fondamentale per una vasta gamma di settori industriali, tra cui l’aerodinamica e l’analisi aerospaziale, la simulazione meteorologica e persino gli effetti visivi destinati a film e giochi. Calcoli per la CFD più veloci e potenti, pertanto, andrebbero a vantaggio di svariati utenti finali, migliorando l’accuratezza e la velocità dei modelli e delle simulazioni al computer. Al fine di raggiungere questo obiettivo, il progetto SCALABLE, coordinato dall’azienda francese CS GROUP, ha cercato di sviluppare e testare una nuova classe di metodi computazionali.
Simulare flussi di fluidi altamente complessi
A tal fine, il team del progetto SCALABLE ha applicato i cosiddetti metodi Lattice Boltzmann (LBM, Lattice Boltzmann Methods), un approccio CFD che ha dimostrato di essere significativamente più veloce rispetto a quelli convenzionali ed è costituito da tecniche numeriche utilizzabili per simulare flussi di fluidi molto complessi. La forza degli LBM risiede nella capacità di rappresentare facilmente fenomeni fisici complessi, che vanno dai flussi multifase alle interazioni chimiche. Nel contesto del calcolo ad alte prestazioni (HPC), la loro combinazione con architetture di supercomputer avanzate presenta un enorme potenziale. Uno svantaggio fondamentale in tal ambito, tuttavia, consiste nel fatto che le tecniche LBM consumano molta energia rispetto ad altre metodologie numeriche, il che ne ha limitato l’applicazione nel contesto HPC. L’obiettivo di SCALABLE era pertanto quello di trovare un modo per applicare le LBM nel panorama dell’HPC, allo scopo di fornire l’efficienza e la scalabilità necessarie ai prossimi sistemi di calcolo europei su scala exa.
Prestazioni, scalabilità ed efficienza
Il progetto, che ha riunito un gruppo di partner industriali e accademici di spicco provenienti da tre paesi europei, si era prefisso di sviluppare un software CFD basato sugli LBM che fosse in grado di offrire prestazioni, scalabilità e soprattutto efficienza energetica senza precedenti. Il team del progetto ha utilizzato il codice di ricerca di dominio pubblico waLBerla, che è caratterizzato da eccellenti prestazioni e scalabilità e viene attualmente eseguito su alcuni dei più grandi cluster HPC esistenti al mondo. Il progetto si è inoltre avvalso di un software CFD industriale chiamato ProLB (precedentemente noto come LaBS), una soluzione software basata sugli LBM che fornisce una modellizzazione aerodinamica accurata per aiutare gli ingegneri a prendere le prime decisioni di progettazione. Sebbene abbia già raggiunto un elevato livello di maturità, esiste ancora margine per migliorarne le prestazioni.
Una tecnologia di modellizzazione all’avanguardia
L’équipe di SCALABLE ha combinato con successo i vantaggi di questi due strumenti CFD esistenti per offrire una tecnologia di modellizzazione all’avanguardia adatta al calcolo su esascala. Così facendo, il progetto ha anche contribuito ad abbattere i confini tra il mondo dell’informatica scientifica e quello della modellizzazione fisica dei flussi. Il software prototipo è stato sperimentato in una serie di casi di prova che prevedevano la modellizzazione della convezione e della turbolenza, simulazioni fondamentali per la progettazione di oggetti come i motori degli aerei, le turbine eoliche e i sistemi di raffreddamento. Il progetto si è inoltre occupato di modellare i carrelli di atterraggio dei velivoli, realizzando un utile banco di prova per valutare la precisione e le prestazioni del prototipo di software CFD concepito. I successi e le scoperte ottenuti durante lo svolgimento di SCALABLE saranno ora sfruttati dai suoi partner accademici e industriali. Il progetto SCALABLE è stato realizzato con il sostegno dell’impresa comune per il calcolo ad alte prestazioni europeo (EuroHPC JU), un’iniziativa istituita per sviluppare un ecosistema di supercalcolo di livello mondiale in Europa.
Parole chiave
SCALABLE, EuroHPC JU, HPC, esascala, supercalcolo, fluidodinamica, CFD, aerospaziale, automobilistico