GPU-versnelde omgevingssimulaties presteren beter dan supercomputers

• Een promovendus ontwikkelt een gamingtechnologie die complexe simulaties uitvoert op een GPU. 
• De simulatie omvat het laten botsen van gigantische oceaangolven tegen offshore windturbines. 
• Een dambreak-simulatie op een GPU liep tot 4,5 keer sneller dan CPU-looptijden met 16 threads.

Alex Chow, die promoveert aan de Universiteit van Manchester, heeft een programma ontwikkeld om complexe technische en wetenschappelijke simulaties uit te voeren op grafische verwerkingseenheden (GPU's).

Tot nu toe worden hoogwaardige grafische kaarten gebruikt voor het creëren van realistische beelden en snelle gameplay voor pc's, laptops en gameconsoles. Maar nu zijn GPU's in opkomst als technologie om complexe simulaties te versnellen, waarbij verschillende applicaties meer dan honderd keer sneller worden uitgevoerd dan traditionele CPU's.

Het uiteindelijke doel is om grootschalige simulaties uit te voeren op grafische kaarten in plaats van op een supercomputer. Omdat supercomputers uit honderden parallel geschakelde CPU's bestaan, verbruiken ze veel stroom terwijl ze miljarden berekeningen uitvoeren. Bovendien zijn ze erg duur en beschikbaar voor een klein aantal wetenschappers en onderzoekers.

Aan de andere kant zijn GPU's energiezuinig en veel goedkoper dan conventionele supercomputers. Ze hebben geen hele kamer of exclusieve faciliteit nodig. Moderne grafische kaarten zijn zelfs compact genoeg om in een laptop te passen.

Welke simulatie is er tot nu toe uitgevoerd?

Chow heeft software ontwikkeld die grootschalige simulaties van gewelddadige vloeistofstromen op krachtige grafische kaarten kan maken. Bij de simulatie worden gigantische oceaangolven tegen offshore windturbines gebotst, om de krachten (inclusief de potentiële impact) die op de constructies worden uitgeoefend beter te onderzoeken.



Hoe deed hij het?

De software is ontwikkeld met behulp van een open-sourcecode, genaamd DualSPhysics, die is gebaseerd op een Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)-model. Dankzij de code kan de complexe simulatie (zoals gewelddadige hydrodynamische stromingen) op een GPU worden uitgevoerd. Het kan de berekening van miljoenen datapunten voor wetenschappelijke 3D-toepassingen op één enkel apparaat verwerken.

Voor Chow was het meest uitdagende onderdeel het oplossen van wiskundige systemen van miljoenen vergelijkingen tegelijk, die tijdens een simulatie snel veranderen.

Referentie:ScienceDirect | doi:10.1016/j.cpc.2018.01.005 | Universiteit van Manchester 

Technische details

De onsamendrukbare SPH wordt uitgevoerd door de zwak samendrukbare SPH-code te optimaliseren en deze te integreren met ViennaCL (open source lineaire algebrabibliotheek) voor snelle implementatie van de Pressure Poisson-vergelijking (PPE).

Er wordt een PPE-matrix gemaakt om deeltjes met specifieke intervallen te verplaatsen, om het beperkte geheugen van de GPU te optimaliseren. Het onsamendrukbare SPH-drukprojectiealgoritme wordt op 4 verschillende niveaus uitgevoerd. Ook wordt een nauwkeurige en robuuste randvoorwaarde vastgesteld voor efficiënte parallelle verwerking.

Stroomdiagram van de belangrijkste herhalende stappen in de DualSPHysics Predictor-Corrector-tijdstap op een GPU

In dit onderzoek worden talloze validatiegevallen getoond om de nauwkeurigheid, snelheid en flexibiliteit van de technologie aan te tonen. Een simulatie van dambreak op een GPU liep bijvoorbeeld tot 4,5 keer en 18 keer sneller dan respectievelijk 16-threaded en single-threaded CPU-runtimes.

Hoe kan deze simulatie helpen?

Het Verenigd Koninkrijk produceert 5 procent van de jaarlijkse elektrische energie uit offshore-windenergie, wat naar verwachting binnen de komende twee jaar zal groeien tot 10 procent, en het groeit wereldwijd.

Soms is het oceaanmilieu extreem hard en gewelddadig, en daarom is het ontwikkelen van structuren voor hen geen gemakkelijke klus. Fysieke experimenten in deze omgevingen zouden erg duur en tijdrovend zijn, of je kunt zeggen dat het niet praktisch is.

Lees:'s Werelds eerste neurale netwerk gebaseerd op optische verwerkingstechnologie

Deze simulaties zullen wetenschappers en ingenieurs helpen cruciale stappen en beslissingen te nemen over het ontwerp van constructies en industriële hydrodynamische engineeringtoepassingen op vrije oppervlakken, zonder te investeren in dure experimenten.