Simulation de record du monde en dynamique des fluides
Nouveau record mondial pour les simulations de dynamique des fluides : Une équipe d'informaticiens dirigée par l'ETH Zurich a simulé l'effondrement de bulles dans un nuage de cavitation, atteignant ainsi une résolution et une puissance de calcul inégalées.
Le site Simulation représente l'implosion d'un nuage de bulles dans un liquide, connue sous le nom de cavitation. Ce phénomène est responsable de dommages parfois dévastateurs sur les pales de turbines. Mais il peut également être utilisé pour lutter contre le cancer ou pour fragmenter des calculs rénaux. La présente simulation est la plus vaste jamais réalisée dans ce domaine de la dynamique des fluides. Elle permet de calculer 15 000 bulles d'air en haute résolution. Les détenteurs du précédent record, l'Université technique de Munich, n'ont pu simuler que 100 bulles il y a un an. De plus, le code utilisé est 20 fois plus rapide que celui des précédents détenteurs du record de simulation de la dynamique des fluides de l ? page externeUniversité de Stanford. Il a été développé par les chercheurs du Computational Science & Engineering Lab (CSE Lab) de l'ETH Zurich et du centre de recherche IBM de Rüschlikon, en coopération avec l'Université technique de Munich et le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Pour ces simulations, l'équipe de recherche a utilisé au SC13 de Denver le page externePrix Gordon Bell,L'Université de Genève a re?u le prix de l'excellence, qui récompense des travaux remarquables dans le domaine de l'informatique de pointe.
Pour calculer sa simulation, l'équipe de recherche a utilisé 1,6 million de c?urs d'ordinateur (cores) du supercalculateur Seqouia du LLNL avec une charge de calcul continue de 14,4 pétaflops. ? titre de comparaison, à ce moment-là, le supercalculateur le plus rapide du CSCS disposait de douze racks avec une puissance de crête potentielle de 0,75 pétaflops. Les informaticiens ont atteint 73% de la puissance de calcul de pointe théoriquement possible du système Sequoia. Pour le calcul haute performance en dynamique des fluides, 10 % est déjà considéré comme une très bonne valeur. Dans de tels projets, il est essentiel de décomposer le plus habilement possible l'ensemble du problème de calcul en petites portions afin de pouvoir utiliser la capacité de calcul de manière optimale.
?tudier la cavitation
La simulation du record mondial ouvre la voie à une meilleure étude de la cavitation, par exemple. Il s'agit de la formation et de l'effondrement violent de bulles dans un liquide. Elle se produit dans des objets se dépla?ant rapidement dans l'eau, comme les turbines hydrauliques, les hélices ou encore les moteurs à injection.
Voici ce qui se passe lors de la cavitation : La pression dans un liquide diminue dès que la vitesse à laquelle le liquide se déplace augmente. Si la pression statique du liquide devient inférieure à sa pression de vapeur, des bulles de gaz peuvent se former, grossir et être entra?nées par le courant. Si ces bulles atteignent finalement des zones de pression statique plus élevée, la pression de vapeur augmente. La vapeur se condense alors brusquement dans les bulles. Elles implosent simultanément, ce qui provoque des pics de pression extrêmes de courte durée qui peuvent détruire les hélices ou les chambres de combustion des moteurs. Le potentiel destructeur de la cavitation peut toutefois aussi être utilisé. Depuis peu, ce phénomène est utilisé en médecine pour détruire des cellules tumorales et administrer efficacement des médicaments au bon endroit.
La violence et la durée extrêmement courte de l'implosion des bulles ont jusqu'à présent rendu difficile, tant pour les chercheurs expérimentaux que pour les informaticiens, la description quantitative du processus et donc sa meilleure compréhension. Des simulations aussi vastes dans le domaine de la dynamique des fluides posent des exigences extrêmement élevées en matière de parallélisation et d'architecture informatique.
Fossé comblé
Le projet de record du monde a été dirigé par Diego Rossinelli, Babak Hejazialhosseini et Panagiotis Hajidoukas du groupe du professeur de l'ETH Petros Koumoutsakos au CSE Lab. Pour ce dernier, la simulation record de son équipe est le résultat d'un travail de développement de dix ans visant à étudier un problème fondamental des sciences assistées par ordinateur : le fossé toujours plus grand entre le potentiel du matériel et son utilisation effective pour résoudre des questions d'ingénierie. "Ce défi se pose en particulier pour les simulations de dynamique des fluides, notoirement difficiles à transférer sur des architectures informatiques massivement parallèles", souligne le professeur de l'ETH.
Ils auraient d? fournir un effort particulier lors du développement du logiciel afin de pouvoir exploiter efficacement les avantages de l'architecture informatique actuelle, qui favorise la parallélisation. "Ce n'est qu'en combinant proprement les sciences informatiques et la spécialité mathématique qu'est la numératie que le record mondial qui vient d'être établi a pu être établi", explique Koumoutsakos.
Code ultra-échelonnable
Ce record a également été rendu possible par l'utilisation d'une série de nouveaux composants matériels et logiciels dans le système BlueGene/Q d'IBM. "Ceux-ci nous ont permis de développer un code ultra-évolutif dont les performances sont d'un ordre de grandeur supérieur à celles de la technologie précédente", souligne Alessandro Curioni, directeur du département Mathematical and Computational Sciences au centre de recherche IBM.