HICFD - Hocheffiziente Implementierung von CFD-Codes für HPC-Many-Core-Architekturen

Projektbeschreibung

Der wachsende internationale Konkurrenzdruck stellt die europäische Luftfahrtindustrie vor große Herausforderungen. Als Antwort auf die verschärften Umweltschutzanforderungen strebt sie in der Agenda 2020 an, den durch den Luftverkehr verursachten Lärm zu halbieren, sowie den Kohlendioxid-Ausstoß (und damit den Kerosinverbrauch) um 50% und die Produktion von Stickoxiden um 80% zu reduzieren.  Gleichzeitig soll die Verkürzung der Entwicklungszeiten um 50% die Konkurrenzfähigkeit signifikant verbessern.

Diese Ziele lassen sich nur durch konsequente Weiterentwicklung der Simulationstechnologie erreichen. Sie erfordern insbesondere den Übergang von der Simulation einzelner physikalischer Phänomene für Einzelkomponenten zu einer multidisziplinären Simulation kompletter Systeme unter realen und instationären Einsatzbedingungen. Die dazu erforderlichen Entwicklungen erfolgen in Europa, und insbesondere in Deutschland, in enger Partnerschaft von Industrie und Großforschung.

Eine wichtige Rolle spielen hierbei große Simulationscodes, die in öffentlichen Forschungsinstituten unter Verwendung innovativer Algorithmen entwickelt werden und dadurch einen Vorsprung gegenüber kommerziell verfügbaren Produkten aufweisen. Neben dem bei der französischen ONERA entwickelten blockstrukturierten Strömungslöser elsA sind die im DLR entwickelten Codes TAU (Berechnung von Außenströmungen) und TRACE (Reagierende Innenströmungen) tragenden Säulen der Simulationstechnik in der europäischen Luftfahrtindustrie.

Auf der Hardwareseite genügen für Auslegungsrechnungen i.d.R. mittelgroße Rechnerplattformen mit mehreren Hundert Rechenknoten, während Proof-of-Concept-Studien den Einsatz der jeweils stärksten installierten Rechnerplattformen (beispielsweise die Systeme der Gauß-Allianz) erfordern. Alle diese Systeme basieren bereits heute auf Multi-Core Technologie. Für die nahe Zukunft ist der Wechsel zu Many-Core-Architekturen absehbar.

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung generischer Methoden und Werkzeuge für die Adaption und Optimierung von CFD-Verfahren auf Rechnerprozessoren mit einer Vielzahl von Cores und deren exemplarische Anwendung auf die Codes TAU und TRACE. Damit wird die nationale und europäische Luftfahrtindustrie in die Lage versetzt, die komplette Versorgungspyramide vom Abteilungsrechner bis hin zu den nationalen (GCS) oder europäischen (PRACE) Ressourcen optimal zu nutzen. Die angestrebte Leistungssteigerung der Simulationsberechnungen soll durch optimale Ausnutzung aller Parallelitätsebenen erzielt werden: MPI / OpenMP / SIMD.

Auf der obersten Ebene (MPI) verbessert eine intelligente Gitteraufteilung den Lastausgleich zwischen den MPI-Prozessen. Für blockstrukturierte Gitter (z.B. TRACE-Code) ist hier ein Many-Core-kompatibles Partitionierungswerkzeug zu entwickeln.

Auf Ebene der Many-Core Architektur werden exemplarisch für die beiden Strömungslöser TAU und TRACE hochskalierende hybride OpenMP/MPI-Verfahren implementiert.

Auf Prozessorkern-Ebene wird ein SIMD Präprozessor entwickelt, der die komfortable Nutzung paralleler SIMD-Einheiten (Single Instruction Multiple Data) auch für komplexe Anwendungen ermöglicht.

Aufgrund der komplementären Struktur der ausgewählten Simulationscodes sind die in diesem Projekt erarbeiteten generischen Methoden, Werkzeuge und Techniken übertragbar auf eine Vielzahl weiterer Simulationsanwendungen. Dies wird unter anderem durch einen Best-Practice-Report erleichtert, der die Erfahrungen des Projekts bei der Implementierung hybrider OpenMP/MPI-CFD-Codes zusammenfasst.

Zur Sicherung einer größtmöglichen Verbreitung sollen am Ende des Projektes die SIMD Erweiterungen der Vampir Suite wie auch der entwickelte Präprozessor zur Performance-Optimierung und automatischen Leistungsanalyse einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt werden. Der SIMD - Präprozessor wird unter einer Open Source Lizenz veröffentlicht.

Das Projekt wurde im Januar 2009 gestartet und hat ein Laufzeit von 3 Jahren. Beteiligt sind das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. , Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Institut für Antriebstechnik und die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik, sowie T-Systems Solutions for Research GmbH, das Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen - Technische Universität Dresden. IBM Deutschland GmbH, Airbus Deutschland GmbH und MTU Aero Engines AG.

 


Contact
Dr.-Ing. Thomas Gerhold
German Aerospace Center

Institute of Aerodynamics and Flow Technology
, C²A²S²E Center for Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering
Tel: +49 551 709-2425

Fax: +49 551 709-2416

E-Mail: Thomas.Gerhold@dlr.de
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