Ouvrir les vannes pour les simulations de fluides par supercalculateur
Le calcul à haute performance (HPC) permet de simuler avec précision des processus physiques, évitant ainsi des expériences coûteuses et fastidieuses dans le monde réel. L’un des principaux bénéficiaires est le domaine de la dynamique des fluides numérique (DFN), où les modèles prédisant le transfert de chaleur et de masse dans les fluides sont utilisés pour concevoir des applications dans des secteurs allant de l’aérospatiale à la médecine. «La croissance future de la DFN, qui est déjà une technologie mature, dépend d’une exploitation plus efficace des possibilités offertes par le HPC», explique Fred Mendonça de l’ESI Group et chercheur principal du projet exaFOAM. Le projet a permis d’améliorer les performances de OpenFOAM, un logiciel très populaire pour les flux de travail DFN, en renforçant sa capacité à exploiter la puissance du HPC tout au long de la chaîne de traitement. En améliorant la compréhension de domaines tels que la mécanique des solides, l’aérodynamique et le transfert de chaleur, OpenFOAM optimise la conception de produits pour l’ingénierie des véhicules terrestres, l’aérospatiale, la production d’énergie et les applications biomédicales, entre autres. «L’ingénierie virtuelle repose sur la combinaison de la puissance de traitement du calcul intensif et de la polyvalence des techniques d’intelligence artificielle. Notre travail, indépendant de toute plateforme ou puce particulière, permet de réaliser les immenses calculs nécessaires pour entraîner les algorithmes qui sous-tendent ces techniques de pointe», ajoute Fred Mendonça.
Goulets d’étranglement de l’information
Lors d’un traitement informatique fastidieux, les utilisateurs s’appuient sur la réception d’informations intermédiaires pour évaluer les progrès accomplis. Cet échange de données (E/S) peut devenir un goulot d’étranglement, surtout si le noyau de traitement s’arrête une fois l’échange de données terminé. Le projet a utilisé des logiciels libres, tels que ADIOS-2, pour maintenir un accès efficace aux fichiers d’E/S tout en fonctionnant sur un grand nombre de cœurs d’unité centrale de traitement (CPU). En conséquence, OpenFOAM a fonctionné avec succès sur le supercalculateur Hawk du HLRS, où il a été déployé sur 500 000 cœurs, ce qui a valu au projet de recevoir le prix HPC Technology Innovation Excellence. «À notre connaissance, il s’agit du plus grand nombre de cœurs jamais déployés pour une simulation OpenFOAM», déclare Fred Mendonça. En complément de ces améliorations, en 2023, la première version du logiciel OpenFOAM inclura les outils de profilage d’exaFOAM, qui permettent d’identifier les goulots d’étranglement dans le traitement.
Réutilisation de code existant
Le projet a également amélioré le code d’OpenFOAM afin qu’il puisse fonctionner sur les nouvelles architectures de puces CPU et GPU. Le principal défi à relever était que le code CPU existant (tel que C++) ne fonctionne pas nécessairement sur les GPU plus puissants. L’équipe a développé une solution pour qu’une partie du code CPU – connue sous le nom de solveur linéaire – soit transférée du CPU au GPU. Des travaux ont également été entamés pour permettre l’exécution de codes CPU existants directement sur les GPU, à l’aide d’accélérateurs standard (OpenMP). Si les solutions d’E/S et de GPU ont permis d’augmenter les performances, l’équipe a également modifié certains algorithmes d’exaFOAM pour obtenir des gains plus importants et réduire les goulets d’étranglement au niveau de la communication dans le code. «Combinées, ces approches ont permis de décupler les performances d’OpenFOAM», note Fred Mendonça.
Applications industrielles
Le projet a lancé plusieurs tests de performance HPC (applications industrielles et grands défis) et les a mis à la disposition du public. «Nous avons sélectionné des exemples quotidiens, dans divers secteurs, qui sont essentiels pour améliorer la conception et les performances des équipements, le rendement énergétique pour la rentabilité, la sécurité et le confort des citoyens et la réduction de l’impact sur l’environnement», explique Fred Mendonça. Parmi les défis spécifiques à l’industrie, citons la réduction de la traînée des véhicules pour augmenter leur autonomie et l’optimisation de l’emplacement des turbines dans les parcs éoliens pour maximiser la production d’énergie. Cela a donné lieu à 19 cas de référence. L’équipe du projet s’est maintenant associée au projet EXASIM financé par l’UE, qui partage l’objectif de permettre une simulation CFD compatible avec l’échelle exaflopique à l’aide d’OpenFOAM.
Mots‑clés
exaFOAM, EuroHPC JU, dynamique des fluides numérique, DFN, algorithme, code, E/S, GPU, CPU, puce, cœur, intelligence artificielle, HPC