Simulazione da record mondiale in fluidodinamica
Nuovo record mondiale per le simulazioni di fluidodinamica: Un team di informatici guidato dall'ETH di Zurigo ha simulato il collasso delle bolle in una nube di cavitazione, raggiungendo una risoluzione e una potenza di calcolo senza precedenti.
Il Simulazione rappresenta l'implosione di una nuvola di bolle in un liquido, nota come cavitazione. Questo fenomeno è responsabile di danni talvolta devastanti alle pale dei rotori delle turbine. Tuttavia, può anche essere utilizzato per combattere il cancro o per rompere i calcoli renali. Questa simulazione è la più completa mai realizzata in questo campo della fluidodinamica. Può essere utilizzata per calcolare 15.000 bolle d'aria in alta risoluzione. Un anno fa, i precedenti detentori del record dell'Università Tecnica di Monaco erano riusciti a simulare solo 100 bolle. Inoltre, il codice utilizzato è 20 volte più veloce di quello dei precedenti detentori del record per le simulazioni fluidodinamiche dal lato esterno. lato esternoUniversità di Stanford. ? stato sviluppato dai ricercatori del Computational Science & Engineering Lab (Laboratorio CSE) dell'ETH di Zurigo e del Centro di ricerca IBM di Rüschlikon, in collaborazione con l'Università tecnica di Monaco e il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Per queste simulazioni, il team di ricerca dell'SC13 di Denver ha utilizzato il software lato esternoPremio Gordon Bell,che premia il lavoro eccezionale nel campo del calcolo ad alte prestazioni.
Per calcolare la simulazione, il team di ricerca ha utilizzato 1,6 milioni di core del supercalcolatore ad alte prestazioni LLNL con un carico di calcolo continuo di 14,4 petaflop. A titolo di confronto, il supercomputer più veloce del CSCS all'epoca aveva dodici rack con una prestazione di picco potenziale di 0,75 petaflop. Gli informatici hanno raggiunto il 73% della potenza di calcolo di picco teoricamente possibile del sistema Sequoia. Per il calcolo ad alte prestazioni nella fluidodinamica, anche il 10% è considerato un valore molto buono. La chiave di questi progetti consiste nel suddividere il più abilmente possibile l'intero problema di calcolo in piccole porzioni, in modo da sfruttare al meglio la capacità di calcolo.
Indagine sulla cavitazione
La simulazione da record mondiale apre la strada a una migliore indagine sulla cavitazione, ad esempio. Questa comporta la formazione e il collasso violento di bolle in un liquido. Si verifica in oggetti in rapido movimento nell'acqua, come turbine idrauliche, eliche o persino motori a iniezione.
Durante la cavitazione si verifica quanto segue: La pressione in un liquido diminuisce non appena aumenta la velocità di movimento del liquido. Se la pressione statica del liquido diventa inferiore alla sua tensione di vapore, si possono formare bolle di gas che crescono e vengono trasportate dal flusso. Se queste bolle raggiungono zone con una pressione statica più elevata, la pressione di vapore aumenta. Questo fa sì che il vapore nelle bolle si condensi bruscamente. Implodono simultaneamente, motivo per cui si verificano per breve tempo picchi di pressione estremi, che possono distruggere le eliche o le camere di combustione dei motori. Tuttavia, il potenziale distruttivo della cavitazione può anche essere sfruttato. Recentemente, il fenomeno è stato utilizzato in medicina per distruggere le cellule tumorali e distribuire efficacemente i farmaci nel punto giusto.
L'intensità e il tempo estremamente breve in cui le bolle implodono hanno finora reso difficile, sia per i ricercatori sperimentali che per gli informatici, descrivere quantitativamente il processo e quindi comprenderlo meglio. Simulazioni così estese nella fluidodinamica pongono requisiti estremamente elevati alla parallelizzazione e all'architettura dei computer.
Divario colmato
Il progetto di record mondiale è stato guidato da Diego Rossinelli, Babak Hejazialhosseini e Panagiotis Hajidoukas del gruppo del professor Petros Koumoutsakos del CSE Lab dell'ETH. Per il professore, la simulazione da record del suo team è il risultato di 10 anni di lavoro di sviluppo su un problema fondamentale delle scienze computazionali: il divario sempre più ampio tra il potenziale dell'hardware e il suo effettivo utilizzo per risolvere i problemi di ingegneria. "Questa sfida esiste in particolare per le simulazioni fluidodinamiche, che sono notoriamente difficili da trasferire su architetture di computer massicciamente parallele", sottolinea l'ETH.
Per sviluppare il software avrebbero dovuto compiere uno sforzo particolare per sfruttare efficacemente i vantaggi dell'attuale architettura dei computer, che favorisce la parallelizzazione. "Solo la perfetta combinazione tra l'informatica e la disciplina matematica dei numeri ha reso possibile il record mondiale che abbiamo appena raggiunto", afferma Koumoutsakos.
Codice ultra-scalabile
Questo record è stato reso possibile anche dall'utilizzo di una serie di nuovi componenti hardware e software del sistema BlueGene/Q di IBM. "Questi ci hanno permesso di sviluppare un codice ultra-scalabile le cui prestazioni sono di un ordine di grandezza superiori a quelle della tecnologia precedente", sottolinea Alessandro Curioni, responsabile del Dipartimento di Scienze Matematiche e Computazionali del Centro di Ricerca IBM.