Wykorzystanie mocy systemów HPC w złożonych geometriach

Ile znaczy architektura obliczeniowa eksaskali bez zaawansowanych metod symulacji numerycznych, które wykorzystałyby ten potencjał? Jakie korzyści produktom przemysłowym, takim jak samoloty czy duże budynki, może przynieść większa moc obliczeniowa? Te pytania stały się bodźcem do realizacji projektu NUMEXAS. Korzystając z nowych metod symulacji, projekt powinien umożliwić różnym gałęziom przemysłu, administracji centralnej oraz środowisku akademickiemu rutynowe rozwiązywanie wieloaspektowych problemów na szeroką skalę — w sposób wydajny i prosty.

"Projekt NUMEXAS znacząco różni się od innych projektów z dziedziny eksaskali finansowanych ze środków unijnych", mówi dr Pooyan Dadvand, koordynator projektu dla ośrodka International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) w Barcelonie, w Hiszpanii. "Staramy się zaprząc systemy HPC do rozwiązywania problemów przemysłowych poprzez skoncentrowanie się na interakcjach o płynnej strukturze i złożonych geometriach. Na przykład, nasze pakiety programów do rozwiązywania problemów numerycznych umożliwiają symulowanie warunków wiatrowych w Barcelonie na obszarze 64 x 64 km o rozdzielczości 4 m. Wcześniej takie symulacja była niemożliwa".

W przeciwieństwie do standardowych pakietów programów do rozwiązywania problemów numerycznych bazujących na prostych geometriach, np. sześcianie, w projekcie NUMEXAS wykorzystuje się generator siatki niestrukturalnej obsługującej złożone geometrie umożliwiające utworzenie miliardów elementów. "To właśnie zbliża nas do zastosowania przemysłowego". Strukturyzowana siatka występuje w geometrii będącej połączeniem różnych bloków, które można podzielić na mniejsze elementy. Przejście do mniejszych elementów tych bloków jest bardzo czasochłonne. W projekcie NUMEXAS prowadzi się natomiast prace z niestrukturyzowaną siatką i korzystamy z automatycznego tworzenia siatki. Ponadto eliminujemy konieczność czyszczenia geometrii. Możemy również poddawać wyniki dalszemu wydajnemu przetwarzaniu", mówi dr Dadvand.

Eliminując konieczność czyszczenia geometrii, projekt NUMEXAS sprawił, że systemy HPC są o wiele atrakcyjniejsze dla firm przemysłowych. W proponowanym rozwiązaniu czas wymagany na wykonanie obliczeń został skrócony z jednego tygodnia do około 10 minut, a czyszczenie ogromnej geometrii, które zwykle zajmowało dwa miesiące, w ogóle nie jest konieczne. Skrócenie czasu pobierania wyników jest kolejnym kluczowym celem, nad którym obecnie pracuje zespół NUMEXAS.

Przykładem potencjalnych korzyści dla przemysłu są rozwiązania problemów termomechanicznych w procesach wytwórczych, a dla administracji centralnej — symulacje przepływów zanieczyszczeń w mieście prezentujące dokładny wpływ każdego ze źródeł zanieczyszczeń.

"Po dodaniu kilku modeli mierzących interakcję z powietrzem lub związkami chemicznymi taka symulacja jest w zasięgu naszych możliwości", mówi dr Dadvand. Wyniki projektu może również wykorzystać branża polegająca na chmurach obliczeniowych. Podjęliśmy już w tym celu nieformalne rozmowy.

Ciągły proces udoskonalania

Na kilka miesięcy przed zakończeniem projektu zespół koncentruje się na finalizowaniu przypadków testowych. "Mamy również pakiet roboczy przeznaczony do optymalizacji napisanego kodu", zwraca uwagę dr Dadvand. "Staramy się zwiększyć wydajność, tak aby lepiej zarządzać pamięcią". Ponadto pakiet programów do rozwiązywania problemów numerycznych NUMEXAS jest aktualnie dostosowywany do obsługi obiektów w ruchu.

Środowisko akademickie już teraz może korzystać z wyników projektu, ponieważ główna część rozwiązania NUMEXAS — KRATOS Multi-Physics, stanowiąca obszerny wieloaspektowy kod — jest programem open source. Obecnie trwają rozmowy z przedstawicielami przemysłu w celu realizacji wspólnych projektów. "Nie wydaje mi się, aby przemysł szybko sięgnął po systemy eksaskali, niemniej jednak występują tu problemy, dla których rozwiązaniem mogą być komputery o dużej mocy obliczeniowej. Naszym celem jest zbliżenie przemysłu do rozwiązań klasy peta. Chociaż nasze rozwiązania nie będą na tę chwilę wykorzystywane, po zakończeniu projektu NUMEXAS chcemy uruchomić kolejny projekt, aby tak się stało", mówi dr Dadvand.

Dr Dadvand uważa, że wciąż jest za wcześnie, aby stwierdzić, czy jakiś produkt trafi wkrótce na rynek. "Jest to kwestia kolejnych dwóch lat. W tym czasie należy przekształć nasze prototypy w rzeczywiste produkty. Generator siatki, który został ukończony w pierwszym roku realizacji projektu, już jest produktem, jednak stworzenie całego systemu komercjalizacji na pewno zabierze jeszcze trochę czasu".