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Numerisch intensive Simulationen auf einer integrierten Recheninfrastruktur

Numerisch intensive Simulationen auf einer integrierten Recheninfrastruktur

Wissenschaftliche Simulationen sind oft sehr rechenintensiv und zeitaufwändig und können von einer geeigneten Wahl und Abbildung auf spezialisierte Rechenressourcen stark profitieren. Diese Auswahl ist allerdings in modernen Rechenzentren mit heterogenen Recheninfrastrukturen, z.B. Cloud-Diensten, High Performance Computing (HPC) Clustern und spezialisierten Rechenressourcen mit Beschleunigerkarten (z.B. GPU) nicht trivial (siehe Abbildung 1). In diesem Projekt  sollen deshalb Konzepte und eine technische Umsetzung eines für den Nutzer transparenten Integrationsmechanismus von heterogenen Recheninfrastrukturen entwickelt werden. Hierdurch soll der Zugang zu spezialisierten Rechenressourcen für rechenintensive Simulationsprojekte im Rahmen des SWZs vereinheitlicht und vereinfacht werden. Eine Simulationsanwendung soll dann semiautomatisiert auf dem am besten geeigneten Ressourcentyp ausgeführt werden. 

Als Anwendungsfall dient hierfür in diesem Projekt die Simulation von Transport- und Umwandlungsvorgängen in porösen Materialien, für deren Berechnung sich insbesondere hocheffiziente Lattice-Boltzmann Verfahren gut eignen. Dieser Anwendungsfall bildet dabei die Basis für detaillierte Performance-Analysen und die entsprechende Modellbildung.

Abbildung 1: Die geeignete Wahl von Rechenressourcen für rechenintensive Simulationen ist in modernen Rechen-zentren mit einer heterogenen Infrastruktur nicht trivial.

Ziele des Projekts

In dem Projekt arbeiten Wissenschaftler aus der Strömungsmechanik (Arbeitsgruppe Prof. Brenner, TU Clausthal), der Softwaretechnik (Arbeitsgruppe Prof. Grabowski, Uni Göttingen) und der praktischen Informatik (Arbeitsgruppe Prof. Yahyapour, GWDG) zusammen um geeignete Lösungen zu entwickeln. Zusätzliche Unterstützung bei der Weiterentwicklung der numerischen Lösungsverfahren für den Anwendungsfall erhält das Konsortium von der Arbeitsgruppe von Prof. Deiterding der Universität Southampton.

Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht ist Ziel des vorliegenden Projektes, das Verständnis von Stofftransport und -umwandlung in porösen Materialien weiter zu entwickeln. Hintergrund des Projektes ist der zunehmende Bedarf in verschiedenen Bereichen der Ingenieurwissenschaften, z.B. der chemischen Verfahrenstechnik, poröse Materialien gezielt zu designen und beispielsweise als Träger für Katalysatoren mit optimierten Umsatzraten und Selektivität einzusetzen. Hierfür ist es notwendig, die Morphologie-Transport-Beziehungen unter Einbeziehung von chemischen Reaktionen genauer als bisher möglich vorhersagen zu können.

Aus mathematischer Sicht ist die zentrale Aufgabe die Weiterentwicklung von geeigneten numerischen Berechnungsverfahren. Als Ausgangspunkt hierfür sind geleistete Vorarbeiten der Kooperationspartner auf den Gebieten der numerischen Strömungsmechanik, insbesondere der Lattice-Boltzmann (LB) Methodik, der adaptiven Gitterverfeinerung (siehe Abbildung 2) und dem parallelen und Hochleistungsrechnen sowie Cloud-Computing. Die theoretischen Modelle für die Berechnung von mehrphasigen Fluiden in derartigen Strukturen auf Basis der LB Methode existieren bisher ansatzweise. Um diese Verfahren zur Berechnung von technisch relevanten porösen Strukturen einsetzen zu können, sind aber weitergehende Entwicklungen notwendig um die auf sehr unterschiedlichen Längenskalen ablaufenden Prozesse im numerischen Verfahren auflösen zu können.

Aus informatischer Sicht besteht das Interesse darin, den Zugang zu heterogenen Recheninfrastrukturen für die Simulationswissenschaften zu vereinfachen bzw. diese miteinander zu integrieren. Ausgangspunkt stellt hier die heterogene Ressourceninfrastruktur im Rechenzentrum der Gesellschaft für wissenschaftliche Datenverarbeitung mbH Göttingen (GWDG) dar, die als prototypisch für viele Rechenzentren im universitären Bereich angesehen werden kann. Neben einem HPC Cluster und einer IaaS Cloud bietet die GWDG auch Rechenressourcen mit spezialisierten Beschleunigerkarten. Ziel ist es, Konzepte und Lösungen für eine integrierte Rechenumgebung für Simulationen zu entwickeln und zu implementieren, die den Simulationswissenschaftlern die Entscheidung für einen bestimmten Ressourcentyp abnimmt und eine Simulationsanwendung möglichst optimal zur Ausführung bringt.

Das Konzept einer integrierten Rechenumgebung ist in Abbildung 3 gezeigt. Auf Ebene des Application Layers wird durch ein Modell die Anwendung definiert, welches dann an einen Distribution Controller übergeben wird, der die Abbildung der Anwendung auf einen bestimmten Ressourcentyp (im Ressource Layer), z.B ein Cloud System, ein HPC Cluster, ein GPU Cluster oder ein Grid-System, übernimmt. Hierbei wird das Anwendungsmodell in ein ressourcenspezifisches Eingabemodell für das Zielsystem transformiert. Dieses Eingabemodell wird dann an den Ressourcenmanager des Zielsystems übergeben, der die Anwendung auf der korrespondierenden Infrastruktur ausführt. Im Rahmen des SWZ-Projektes 11.4.1, wird zurzeit die SimPaaS Komponente entwickelt, um Simulationsapplikationen automatisch in einer Cloud-Umgebung bereitzustellen und auszuführen. SimPaaS soll in das, in diesem Projekt zu entwickelnde Framework, integriert werden.

Abbildung 2: Prinzip der blockbasierten, kartesischen Gitteradaptation demonstriert für ein 2D NACA0012 Profil bei 6 Grad Anströmung mit Re=186 355. Links: Dynamische Anpassung der Verfeinerungslevels (in verschiedenen Grau-tönen) im Anlauf (oben) und bei Entwicklung einer Wirbelstrasse (unten), rechts: Visualisierung der Zelladaptation zur eingebetteten Geometrie.
Abbildung 3: Struktur einer integrierten Rechenumgebung für Simulationen.

Antragstellende Wissenschaftler

Prof. Dr.-Ing. Gunther Brenner (Vorstandsvorsitzender)

Arbeitsgruppe Strömungsmechanik
Institut für Technische Mechanik
Technische Universität Clausthal

Raum 126, Adolph-Roemer-Straße 2A, 38678 Clausthal-Zellerfeld
E-Mail: gunther.brenner@tu-clausthal.de
Telefon: +49 5323 72-2515 (ITM)
Telefon: +49 5323 72-5220 (SWZ)
Fax: +49 5323 72-2203

Prof. Dr. Jens Grabowski

Arbeitsgruppe Softwaretechnik für Verteilte Systeme
Institut für Informatik
Georg-August-Universität Göttingen

Raum 2.115, Goldschmidtstraße 7, 37077 Göttingen
E-Mail: grabowski@informatik.uni-goettingen.de
Telefon: +49 551 39-172022
Fax: +49 551 39-14415

Prof. Dr. Ramin Yahyapour

Arbeitsgruppe Praktische Informatik
Institut für Informatik
Georg-August-Universität Göttingen

Am Faßberg 11, 37077 Göttingen
E-Mail: ramin.yahyapour@gwdg.de
Telefon: +49 551 201-1545