Najnowocześniejsze techniki obliczeniowej dynamiki płynów w eksaskali
Technika obliczeniowej dynamiki płynów, określanej także angielskim akronimem CFD, zakłada wykorzystanie analizy numerycznej i dużych zbiorów danych w celu oceny i rozwiązywania problemów związanych z przepływem płynów. Jej zastosowanie ma kluczowe znaczenie dla wielu sektorów przemysłu, przyczynia się bowiem do rozwiązywania problemów z zakresu aerodynamiki i analiz dla sektorów lotniczego i kosmicznego, symulacji pogody, a także efektów specjalnych w filmach i grach. Możliwość szybszego przeprowadzenia tego rodzaju obliczeń może zatem przynieść szereg korzyści wielu użytkownikom końcowym, poprawiając dokładność i szybkość modeli komputerowych i symulacji. Zespół projektu SCALABLE, koordynowany przez francuską spółkę CS GROUP, postawił sobie za cel opracowanie i przetestowanie nowej klasy metod obliczeniowych, aby umożliwić wykorzystanie tego potencjału.
Symulacja złożonych przepływów płynów
Po określeniu celu, zespół projektu SCALABLE zastosował tak zwaną metodę gazu sieciowego Boltzmanna - rozwiązanie w zakresie obliczeniowej dynamiki płynów, które okazało się znacznie wydajniejsze od konwencjonalnych metod wykorzystywanych w tej dziedzinie. Metoda ta obejmuje techniki numeryczne, które mogą być wykorzystywane do symulacji bardzo złożonych przepływów płynów. Ich wyjątkowość polega na możliwości prostego odwzorowywania złożonych zjawisk fizycznych, od przepływów wielofazowych po interakcje chemiczne. Co więcej, badacze przyjrzeli się bliżej możliwości wykorzystania obliczeń wielkiej skali i zaawansowanych architektur superkomputerów do wykonywania obliczeń przy użyciu metody gazu sieciowego Boltzmanna. Szybko odkryli jednak fakt, że metoda ta charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na energię w porównaniu z innymi metodologiami numerycznymi. W związku z tym możliwości zastosowania jej w kontekście obliczeń wielkiej skali są ograniczone. Niezrażeni badacze skupieni wokół projektu SCALABLE postanowili skupić się na poszukiwaniu sposobu pozwalającego na zastosowanie tych metod w kontekście obliczeń wielkiej skali, by umożliwić osiągnięcie wydajności, sprawności i skalowalności z myślą o przyszłych europejskich eksaskalowych systemach obliczeniowych.
Osiągi, skalowalność, sprawność
W pracach wzięła udział grupa partnerów przemysłowych i wybitnych przedstawicieli środowisk akademickich z trzech państw europejskich. Celem ich prac było opracowanie rozwiązań w zakresie obliczeniowej dynamiki płynów opartych na metodzie gazu sieciowego Boltzmanna, które miały charakteryzować się niezrównanymi osiągami, skalowalnością oraz efektywnością energetyczną. W tym celu zespół projektu wykorzystał dostępny publicznie kod waLBerla, który zapewnia doskonałą wydajność i skalowalność, zweryfikowaną dzięki wykorzystaniu na niektórych spośród największych superkomputerów na świecie. W ramach projektu badacze wykorzystali także przemysłowe oprogramowanie CFD o nazwie ProLB (wcześniej znane jako LaBS). Rozwiązanie to wykorzystuje metodę gazu sieciowego Boltzmanna w celu dokładnego modelowania aerodynamicznego, pomagając inżynierom w podejmowaniu decyzji na wczesnych etapach projektów. Badacze ustalili, że pomimo wysokiego poziomu dojrzałości rozwiązania, nadal istnieje możliwość poprawy jego wydajności.
Nowatorska technologia modelowania
Zespół projektu SCALABLE z powodzeniem połączył zalety obu rozwiązań, opracowując najnowocześniejszą technologię modelowania dostosowaną do obliczeń eksaskalowych. Jednocześnie badacze połączyli w ten sposób światy nauki i obliczeń oraz fizycznego modelowania przepływu. Działanie prototypowego oprogramowania zostało sprawdzone na podstawie szeregu przypadków testowych obejmujących modelowanie konwekcji i turbulencji. Symulacje te mają kluczowe znaczenie dla projektowania silników lotniczych, turbin wiatrowych oraz systemów chłodzenia. Zespół zajął się także modelowaniem podwozi wykorzystywanych w samolotach. Dzięki temu badacze dysponowali scenariuszem pozwalającym na ocenę precyzji i wydajności prototypowego oprogramowania opracowanego w ramach projektu. Rozwiązania opracowane w ramach projektu SCALABLE będą teraz rozwijane przez partnerów akademickich i przemysłowych projektu. Projekt SCALABLE został zrealizowany przy wsparciu ze środków Wspólnego Przedsięwzięcia w dziedzinie Europejskich Obliczeń Wielkiej Skali (Wspólnego Przedsięwzięcia EuroHPC) – inicjatywy utworzonej w celu stworzenia w Europie światowej klasy ekosystemu superkomputerów.
Słowa kluczowe
SCALABLE, Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC, obliczenia wielkiej skali, eksaskala, superkomputery, dynamika płynów, obliczeniowa dynamika płynów, CFD, sektor lotniczy i kosmiczny, motoryzacja