GPU-beschleunigte Umweltsimulationen übertreffen Supercomputer

• Ein Doktorand entwickelt eine Gaming-Technologie, die komplexe Simulationen auf einer GPU ausführt. 
• Bei der Simulation geht es darum, dass riesige Meereswellen gegen Offshore-Windkraftanlagen prallen. 
• Eine Dambreak-Simulation auf einer GPU lief bis zu 4,5-mal schneller als 16-Thread-CPU-Laufzeiten.

Alex Chow, der an der University of Manchester promoviert, hat ein Programm zur Durchführung komplexer technischer und wissenschaftlicher Simulationen auf Grafikprozessoren (GPUs) entwickelt.

Bisher werden High-End-Grafikkarten für die Erstellung realistischer Grafiken und schnelles Gameplay auf PCs, Laptops und Spielekonsolen verwendet. Aber jetzt entwickeln sich GPUs zu einer Technologie zur Beschleunigung komplexer Simulationen, da sie mehrere Anwendungen mehr als hundertmal schneller ausführen als herkömmliche CPUs.

Das ultimative Ziel besteht darin, groß angelegte Simulationen auf Grafikkarten statt auf Supercomputern durchzuführen. Da Supercomputer aus Hunderten parallel geschalteter CPUs bestehen, verbrauchen sie viel Strom, während sie Milliarden von Berechnungen durchführen. Außerdem sind sie sehr teuer und stehen nur einer kleinen Anzahl von Wissenschaftlern und Forschern zur Verfügung.

Andererseits sind GPUs energieeffizient und deutlich günstiger als herkömmliche Supercomputer. Sie benötigen keinen ganzen Raum oder eine exklusive Einrichtung. Tatsächlich sind moderne Grafikkarten kompakt genug, um in einen Laptop zu passen.

Welche Simulation wurde bisher durchgeführt?

Chow hat eine Software entwickelt, die groß angelegte Simulationen heftiger Flüssigkeitsströme auf leistungsstarken Grafikkarten erstellen kann. Bei der Simulation werden riesige Meereswellen gegen Offshore-Windkraftanlagen geschleudert, um die auf die Strukturen ausgeübten Kräfte (einschließlich des Aufprallpotenzials) besser untersuchen zu können.



Wie hat er das gemacht?

Die Software wird mit einem Open-Source-Code namens DualSPhysics entwickelt, der auf einem Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)-Modell basiert. Der Code ermöglicht die Ausführung der komplexen Simulation (wie heftige hydrodynamische Strömungen) auf einer GPU. Es kann die Berechnung von Millionen von Datenpunkten für wissenschaftliche 3D-Anwendungen auf einem einzigen Gerät verarbeiten.

Für Chow bestand die größte Herausforderung darin, mathematische Systeme mit Millionen von Gleichungen gleichzeitig zu lösen, die sich im Laufe einer Simulation schnell ändern.

Referenz:ScienceDirect | doi:10.1016/j.cpc.2018.01.005 | Universität Manchester 

Technische Details

Das inkompressible SPH wird ausgeführt, indem der schwach komprimierbare SPH-Code optimiert und in ViennaCL (Open-Source-Bibliothek für lineare Algebra) integriert wird, um die Pressure-Poisson-Gleichung (PPE) schnell zu implementieren.

Für die Bewegung von Partikeln in bestimmten Intervallen wird eine PPE-Matrix erstellt, um den begrenzten Speicher der GPU zu optimieren. Der inkompressible SPH-Druckprojektionsalgorithmus wird auf vier verschiedenen Ebenen ausgeführt. Außerdem wird eine präzise und robuste Randbedingung für eine effiziente Parallelverarbeitung festgelegt.

Flussdiagramm der wichtigsten sich wiederholenden Schritte im DualSPHysics Predictor-Corrector-Zeitschritt auf einer GPU

In dieser Forschung werden zahlreiche Validierungsfälle gezeigt, um die Präzision, Geschwindigkeit und Flexibilität der Technologie zu demonstrieren. Beispielsweise lief eine Dambreak-Simulation auf einer GPU bis zu 4,5-mal bzw. 18-mal schneller als die Laufzeiten einer 16-Threaded- bzw. Single-Threaded-CPU.

Wie kann diese Simulation helfen?

Das Vereinigte Königreich produziert 5 Prozent der jährlichen elektrischen Energie aus Offshore-Windenergie, dieser Anteil wird in den nächsten zwei Jahren voraussichtlich auf 10 Prozent ansteigen, und dieser Anteil wächst weltweit.

Manchmal ist die Meeresumwelt extrem rau und gewalttätig, weshalb die Entwicklung von Strukturen für sie keine leichte Aufgabe ist. Physikalische Experimente in diesen Umgebungen wären sehr teuer und zeitaufwändig, oder man könnte sagen, sie seien nicht praktikabel.

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Diese Simulationen werden Wissenschaftlern und Ingenieuren dabei helfen, entscheidende Schritte und Entscheidungen über das Strukturdesign und industrielle Anwendungen der Freiflächenhydrodynamik zu treffen, ohne in teure Experimente investieren zu müssen.