GPU-geaccelereerde milieusimulaties overtreffen supercomputers

Een PhD-student ontwikkelt gaming-technologie die complexe simulaties op een GPU draait. De simulatie betreft botzende reuzegolfen tegen offshore windturbines. Een dam-breuk simulatie op een GPU liep tot 4,5 keer sneller dan 16-threaded CPU-looptijden.

Wat is er gesimuleerd tot nu toe?

Chow heeft een software ontwikkeld die grootschalige simulaties van gewelddadige vloeistroomstromen op krachtige grafische kaarten kan creëren. De simulatie betreft botzende reuzegolfen tegen offshore windturbines, om de krachten (inclusief het impactpotentieel) die op de structuren uitgeoefend worden, beter te onderzoeken.

Hoe deed hij het?

De software is ontwikkeld met behulp van een open-source code, genaamd DualSPhysics, gebaseerd op een smooth particle hydrodynamics (SPH) model. De code stelt de complexe simulatie (zoals gewelddadige hydrodynamische stromen) in staat om op een GPU te draaien. Het kan berekening van miljoenen datapunten voor 3D-wetenschappelijke toepassingen op een enkel apparaat aan.

Voor Chow was het meest uitdagende deel het oplossen van wiskundige systemen van miljoenen vergelijkingen gelijktijdig die snel veranderen tijdens een simulatie.

Technische Details

De incompressibele SPH wordt uitgevoerd door de zwakke-compressibele SPH-code te optimaliseren en te integreren met ViennaCL (open source lineaire algebra bibliotheek) voor snelle implementatie van de Pressure Poisson-vergelijking (PPE).

Een PPE-matrix wordt gecreëerd voor bewegende deeltjes op specifieke intervallen, om het beperkte geheugen van de GPU te optimaliseren. Het incompressibele SPH-drukprojectie-algoritme wordt uitgevoerd op 4 verschillende niveaus. Ook wordt een nauwkeurige en robuuste randvoorwaarde gevestigd voor efficiënte parallelle verwerking.

Talrijke validatiegevallen worden in dit onderzoek getoond om de precisie, snelheid en flexibiliteit van de technologie te demonstreren. Bijvoorbeeld, een simulatie van dam-breuk op een GPU liep tot 4,5 keer en 18 keer sneller dan 16-threaded en single-threaded CPU-looptijden, respectievelijk.

Hoe kan deze simulatie helpen?

Het Verenigd Koninkrijk produceert 5 procent van de jaarlijkse elektrische energie uit offshore wind, wat verwacht wordt te groeien tot 10 procent binnen de komende 2 jaar, en het groeit wereldwijd.

Soms is de zeeomgeving extreem hard en gewelddadig, weshalb het ontwikkelen van structuren voor hen geen makkelijke klus is. Fysieke experimenten op deze omgevingen zouden zeer duur en tijdrovend zijn, of je kunt zeggen dat het niet praktisch is.

Deze simulaties zullen wetenschappers en ingenieurs helpen cruciale stappen en beslissingen te nemen over structuurontwerp en industriële free-surface hydrodynamische engineering-toepassingen, zonder te investeren in dure experimenten.