Стэнфордский инженерный центр исследований турбулентности (CTR) установил новый рекорд в вычислительной науке, успешно используя суперкомпьютер с более чем миллионом вычислительных ядер для решения сложной задачи гидродинамики - прогнозирования шума, создаваемого сверхзвуковым реактивный двигатель.
Джозеф Николс, научный сотрудник центра, работал над недавно установленной системой Sequoia IBM Bluegene/Q в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), финансируемой Программой перспективного моделирования и вычислений (ASC) Национальной ядерной безопасности. Администрация (NNSA). Sequoia когда-то возглавляла список самых мощных суперкомпьютеров в мире, имея 1 572 864 вычислительных ядра (процессора) и 1,6 петабайта памяти, соединенных высокоскоростным пятимерным тороидальным соединением.
Благодаря впечатляющему количеству ядер Sequoia Николс впервые смог показать, что возможно моделирование гидродинамики с миллионами ядер, а также внести свой вклад в исследования, направленные на разработку более тихих авиационных двигателей.
Физика шума
Выхлопы высокопроизводительных самолетов при взлете и посадке являются одними из самых мощных искусственных источников шума. Для наземных бригад, даже для тех, кто носит самые передовые средства защиты органов слуха, это создает акустически опасную среду. Для населения, окружающего аэропорты, такой шум является серьезным раздражителем и снижает стоимость недвижимости.
Понятно, что инженеры стремятся разработать новые и лучшие авиационные двигатели, которые будут тише, чем их предшественники. Например, новые формы сопла могут уменьшить шум от струи в ее источнике, в результате чего самолет станет тише.
Прогнозирующее моделирование - передовые компьютерные модели - помогает в таких проектах. Эти сложные симуляции позволяют ученым заглянуть внутрь и измерить процессы, происходящие в жесткой выхлопной среде, которая иначе недоступна для экспериментального оборудования. Данные, полученные в результате этих симуляций, лежат в основе научных открытий, основанных на вычислениях, поскольку исследователи раскрывают физику шума.
Больше ядер, больше проблем
Моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), подобное тому, которое решил Николс, невероятно сложно. Только недавно, с появлением массивных суперкомпьютеров с сотнями тысяч вычислительных ядер, инженеры смогли моделировать реактивные двигатели и шум, который они производят с точностью и скоростью», - сказал Парвиз Мойн, профессор Франклина М. и Кэролайн П. Джонсон в Инженерной школе и директор CTR.
Моделирование CFD проверяет все аспекты работы суперкомпьютера. Волны, распространяющиеся по всей симуляции, требуют тщательно организованного баланса между вычислениями, памятью и связью. Суперкомпьютеры, такие как Sequoia, делят сложную математику на более мелкие части, чтобы их можно было вычислять одновременно. Чем больше у вас ядер, тем быстрее и сложнее могут быть вычисления.
И все же, несмотря на дополнительные вычислительные мощности, сложность вычислений становится только сложнее с увеличением количества ядер. На уровне одного миллиона ядер ранее безобидные части компьютерного кода могут внезапно стать узкими местами.
Разглаживание морщин
В течение последних нескольких недель исследователи из Стэнфорда и вычислительный персонал LLNL тесно сотрудничали, чтобы сгладить эти последние несколько недостатков. На этой неделе они были приклеены к своим терминалам во время первого «полного масштабирования системы», чтобы увидеть, смогут ли первоначальные запуски достичь стабильной производительности во время выполнения. Они с нетерпением наблюдали, как первая CFD-симуляция проходила через инициализацию, а затем были в восторге от того, что производительность кода продолжала увеличиваться до и за пределами крайне важного порога в один миллион ядер, а время до решения резко сократилось.
«Эти прогоны представляют собой увеличение вычислительной мощности как минимум на порядок по сравнению с крупнейшими симуляциями, выполненными ранее в Центре исследований турбулентности, - сказал Николс. - Последствия для прогнозной науки ошеломляют».
Возвращение домой
Нынешние симуляции были для Николса своего рода возвращением домой. Он был вдохновлен на карьеру в области суперкомпьютеров в старшей школе, когда в 1994 году посетил двухнедельную летнюю программу в вычислительном центре Лоуренса в Ливерморе, спонсируемую Министерством энергетики. Тогда он работал над Cray Y-MP, одним из самых быстрых суперкомпьютеров своего времени.
«Sequoia примерно в 10 миллионов раз мощнее этой машины», - отметил Николс.
Стэнфордские связи еще глубже. Компьютерный код, использованный в этом исследовании, называется CharLES и был разработан бывшим старшим научным сотрудником Стэнфордского университета Фрэнком Хэмом. Этот код использует неструктурированные сетки для имитации турбулентного потока при наличии сложной геометрии.
В дополнение к моделированию реактивного шума исследователи из Стэнфорда, участвующие в программе Predictive Science Academic Alliance Program (PSAAP), спонсируемой Министерством энергетики, используют код CharLES для исследования передовых концептуальных силовых установок ГПВРД, используемых в гиперзвуковых полетах (с видео) - полет со скоростью, во много раз превышающей скорость звука, - и для имитации турбулентного потока над всем крылом самолета.