Zniesienie barier w superkomputerowych symulacjach płynów
Obliczenia wielkiej skali (HPC) umożliwiają dokładną symulację procesów fizycznych bez konieczność prowadzenia drogich i czasochłonnych eksperymentów w świecie rzeczywistym. Jedną z głównych dziedzin ich zastosowania jest obliczeniowa dynamika płynów (CFD), w której modele przewidujące przenoszenie ciepła i masy w płynach służą do tworzenia rozwiązań dla różnych sektorów, od lotnictwa po medycynę. „Jako że technologia ta jest już dojrzała, przyszły rozwój CFD zależy od bardziej efektywnego wykorzystania możliwości HPC”, wyjaśnia Fred Mendonça z ESI Group i główny badacz projektu exaFOAM. Projekt umożliwił poprawę efektywności OpenFOAM, bardzo popularnego oprogramowania do obsługi przepływów pracy CFD, zwiększając jego zdolność do wykorzystania mocy HPC w całym łańcuchu procesów. Przyczyniając się do lepszego zrozumienia takich obszarów jak mechanika ciała stałego, aerodynamika i transfer ciepła, inicjatywa OpenFOAM optymalizuje projektowanie produktów m.in. dla inżynierii pojazdów naziemnych, lotnictwa, wytwarzania energii i zastosowań biomedycznych. „Wirtualna inżynieria wykorzystuje połączenie mocy obliczeniowej HPC z wszechstronnością technik sztucznej inteligencji. Nasze prace, niezależne od jakiejkolwiek konkretnej platformy lub chipa, umożliwiają ogromne obliczenia potrzebne do trenowania algorytmów stanowiących podstawę działania tych najnowocześniejszych technik”, dodaje Mendonça.
Informacyjne wąskie gardła
Podczas czasochłonnego przetwarzania obliczeniowego użytkownicy korzystają z informacji pośrednich pozwalających im na ocenę postępów. Ta wymiana danych (I/O) może stać się wąskim gardłem, zwłaszcza jeśli rdzeń przetwarzania zatrzyma się do czasu ukończenia wymiany danych. W projekcie wykorzystano oprogramowanie typu open-source, takie jak ADIOS-2, w celu zapewnienie efektywnego dostępu do plików I/O podczas pracy na dużej liczbie rdzeni centralnej jednostki obliczeniowej (CPU). Zespół uruchamiał oprogramowanie OpenFOAM na superkomputerze Hawk HLRS, gdzie został wdrożony na 500 000 rdzeni. Za to osiągnięcie projekt otrzymał nagrodę HPC Technology Innovation Excellence Award. „Z tego co wiemy, jest to największa liczba rdzeni, jaka została kiedykolwiek zastosowana do symulacji OpenFOAM”, mówi Mendonça. Dodatkowo w wydaniu oprogramowania OpenFOAM z 2023 r. zawarto narzędzia profilujące exaFOAM, które identyfikują wąskie gardła przetwarzania.
Starszy kod
W ramach projektu udoskonalono również kod OpenFOAM, dzięki czemu mógł on działać na nowych architekturach procesorów i kart graficznych (GPU). Główne wyzwanie polegało na tym, że starszy kod CPU (taki jak C++) niekoniecznie działa na mocniejszych kartach GPU. Zespół opracował więc rozwiązanie pozwalające na przeniesienie jednej części kodu CPU – znanej jako solwer liniowy – z jednostki CPU na GPU. Rozpoczęto również prace nad umożliwieniem wykonywania starszego kodu CPU bezpośrednio na kartach GPU przy użyciu standardowych akceleratorów (OpenMP). Podczas gdy rozwiązania I/O i GPU pozwoliły na poprawę osiągów, zespołowi udało się też zmodyfikować niektóre algorytmy exaFOAM, aby uzyskać bardziej przyrostowe korzyści i zmniejszyć wąskie gardła komunikacyjne w całym kodzie. „Łącznie podejścia te zwiększyły efektywność OpenFOAM co najmniej dziesięciokrotnie”, zauważa Mendonça.
Zastosowania przemysłowe
W ramach projektu przeprowadzono kilka testów porównawczych wydajności HPC (w zakresie zastosowań przemysłowych i najbardziej ambitnych wyzwań) i udostępniono je publicznie. „Sięgnęliśmy po codzienne przykłady z różnych sektorów, które mają kluczowe znaczenie dla takich kwestii jak ulepszona konstrukcja i działanie sprzętu, oszczędność paliwa, zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu publicznego oraz ograniczenie wpływu na środowisko”, wyjaśnia Mendonça. Wśród badanych wyzwań znalazły się zmniejszenie oporu pojazdu w celu zwiększenia zasięgu oraz optymalizacja rozmieszczenia turbin w farmach wiatrowych w celu maksymalizacji wytwarzania energii. W sumie zebrano 19 przypadków testowych. Zespół nawiązał współpracę z finansowanym przez UE projektem EXASIM, który również zakłada wykonywanie symulacji CFD z wykorzystaniem OpenFOAM.
Słowa kluczowe
exaFOAM, Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC, obliczeniowa dynamika płynów, CFD, algorytm, kod, I/O, GPU, CPU, chip, rdzeń, sztuczna inteligencja, HPC