Моделирование окружающей среды с графическим ускорением превосходит суперкомпьютеры

• Аспирант разрабатывает игровую технологию, которая запускает сложное моделирование на графическом процессоре. 
• Моделирование включает в себя столкновение гигантских океанских волн с морскими ветряными турбинами. 
• Имитация прорыва плотины на графическом процессоре выполнялась в 4,5 раза быстрее, чем работа 16-поточного процессора.

Алекс Чоу, получающий докторскую степень в Манчестерском университете, создал программу для выполнения сложных инженерных и научных симуляций на графических процессорах (GPU).

До сих пор высококачественные графические карты используются для создания реалистичной графики и быстрого игрового процесса на ПК, ноутбуках и игровых консолях. Но теперь графические процессоры становятся технологией, позволяющей ускорить сложное моделирование, выполняя некоторые приложения более чем в сто раз быстрее, чем традиционные процессоры.

Конечная цель — выполнить крупномасштабное моделирование на графических картах, а не на суперкомпьютере. Поскольку суперкомпьютер состоит из сотен процессоров, соединенных параллельно, они потребляют много энергии при выполнении миллиардов вычислений. Кроме того, они очень дороги и доступны небольшому числу ученых и исследователей.

С другой стороны, графические процессоры энергоэффективны и намного дешевле обычных суперкомпьютеров. Им не нужна целая комната или эксклюзивное помещение. Фактически, современные видеокарты достаточно компактны, чтобы их можно было разместить в ноутбуке.

Какое моделирование было выполнено на данный момент?

Чоу разработал программное обеспечение, которое может создавать крупномасштабные симуляции сильных потоков жидкости на мощных графических картах. Моделирование предполагает столкновение гигантских океанских волн с морскими ветряными турбинами, чтобы лучше изучить силы (включая возможность воздействия), действующие на конструкции.



Как он это сделал?

Программное обеспечение разработано с использованием открытого исходного кода DualSPhysics, который основан на модели гидродинамики гладких частиц (SPH). Код позволяет выполнять сложное моделирование (например, сильные гидродинамические потоки) на графическом процессоре. Он может обрабатывать миллионы точек данных для научных 3D-приложений на одном устройстве.

Для Чоу самой сложной задачей было одновременное решение математических систем из миллионов уравнений, которые быстро меняются в ходе моделирования.

Ссылка:ScienceDirect | doi:10.1016/j.cpc.2018.01.005 | Манчестерский университет 

Технические подробности

Несжимаемый SPH выполняется путем оптимизации слабосжимаемого кода SPH и его интеграции с ViennaCL (библиотекой линейной алгебры с открытым исходным кодом) для быстрой реализации уравнения Пуассона давления (PPE).

Матрица PPE создается для перемещения частиц через определенные интервалы времени, чтобы оптимизировать ограниченную память графического процессора. Алгоритм проецирования давления несжимаемого SPH выполняется на 4 различных уровнях. Кроме того, для эффективной параллельной обработки устанавливаются точные и надежные граничные условия.

Блок-схема ключевых повторяющихся шагов в временном шаге DualSPhysics Predictor – Corrector на графическом процессоре

В этом исследовании показаны многочисленные случаи проверки, демонстрирующие точность, скорость и гибкость технологии. Например, моделирование прорыва дамбы на графическом процессоре выполнялось в 4,5 раза и в 18 раз быстрее, чем время выполнения 16-поточного и однопоточного процессора соответственно.

Чем это моделирование может помочь?

Соединенное Королевство производит 5 процентов годовой электроэнергии за счет прибрежных ветровых установок. Ожидается, что в ближайшие два года эта цифра вырастет до 10 процентов, и эта цифра растет во всем мире.

Иногда океанская среда чрезвычайно сурова и жестока, поэтому разработка структур для них — непростая задача. Физические эксперименты в таких средах были бы очень дорогими и трудоемкими, или, можно сказать, непрактичными.

Читайте:Первая в мире нейронная сеть на основе технологии оптической обработки

Это моделирование поможет ученым и инженерам предпринять важные шаги и принять решения относительно проектирования конструкций и промышленных гидродинамических приложений со свободной поверхностью, не вкладывая средства в дорогостоящие эксперименты.