Tööstuse kiirendatud andmetöötluse tõhustamine

10000€ sinu tööstuse digitaliseerimise idee teostamiseks (Juuli 2019).

Anonim

Teadlased ja insenerid, kes püüavad luua järgmise masinaklassi imetlema - kas see on rohkem aerodünaamiline raketi, kiirem sõiduauto või suurema efektiivsusega reaktiivmootor - sõltub usaldusväärse analüüsi ja tagasiside andmisest nende projekteerimise parandamiseks.

Komplekssete masinate füüsiliste prototüüpide loomine ja katsetamine võib olla aeganõudev ja kulukas ning pakkuda vaid piiratud tulemusi. Nendel põhjustel on ülemaailmsete tööstusharude ettevõtted nagu kosmosesõidukid, autotööstus ja tuuleenergia pöördunud superarvutite poole, et uurida vedeliku vooluga seotud keerukaid projekteerimisprobleeme või kuidas õhk ja vedelikud suhelda masinaga.

Arvutite vedeliku dünaamika (CFD) rakenduste abil luuakse koodid, mis on loodud vedeliku kaootiliste voolumustrite jälgimiseks tahke objekti kaudu või selle ümber, teadlased võivad suurendada füüsilist katsetamist, saada terviklikuma ülevaate toote toimivusest ja isegi koguda teadmisi, mis võivad kaasa tuua täiendavate disainilahenduste täiustamist.

Kuid kuna superarvutid on suurenenud ja mastaabis suurenenud, on paljud tööstusharu tavalised CFD-rakendused püüdnud pidurdada, piirates nende täpsust ja võimet täielikult füüsilist katsetamist kõrvaldada. Lisaks ei ole paljud CFD-koodid veel kohandatud kiirendatud andmetöötluse arhitektuuridele, näiteks Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF-i) titaan superarvutile, Cray XK7, mille maksimaalne jõudlus on 27 petafloppi.

CFD ajakohastamise eesmärgil on Imperial College'i teadlaste rühm, mida juhib Aeronautika osakonna vanemate õppejõud Peter Vincent, välja töötanud uue avatud lähtekoodiga tarkvara PyFR, Pythonil põhinev rakendus, mis ühendab väga täpsed arvutusmeetodid koos väga paindlik, kaasaskantav ja skaleeritav koodi rakendus, mis võimaldab tõhusalt kasutada kiirendajaid nagu Titan GPU-sid. Kooditööstuse heakskiitmine võimaldaks ettevõtetel paremini ära kasutada arvutitehnoloogiat, et mõista pikaajalisi vedeliku voolamise probleeme, eriti ebastabiilset turbulentsi - õhu, vee ja muude vedelike näiliselt juhuslikku ja kaootilist liikumist.

Oma töö tunnustamiseks on Vincenti meeskond, mille hulgas on doktorikraadiga teadlased Brian Vermeire, Jin Seok Park ja Imperial Collegei Arvind Iyer ja Stanfordi ülikooli doktorikraad Freddie Witherden, nimetusega 2016. aasta arvutiprogrammide auhinna Gordon Belli auhinna, üks enim mainekamaid superarvutite auhindu.

PyFR'i suure jõudlusega arvutusvõime demonstreerimiseks viis meeskond läbi suure eraldusvõimega GPU-kiirendatud simuleerimise voolu üle reaktori turbiini lineaarse kaskaadi Titanil, OLCFi lipulaevsüsteemil, USA energeetikaministeeriumi (DOE) teadusbürool Oak Ridge National Laboratory asub kasutaja rajatis. Nagu üksikasjalikult kirjeldatud meeskonna auhindade esitamisel, saavutas simulatsioon üle 50 protsendi Titani teoreetilisest tipptasemest. Lisaks sellele toetab rakendus pistikprogrammi kohandamist, mis võimaldab teadlastel reaalajas visualiseerimise ja andmete analüüsi läbiviimist.

"Meie eesmärk on välja töötada tehnoloogia, mis sobib kiirendatud süsteemide jaoks, et lahendada ebastabiilset turbulentset vooluprobleeme, mis vajavad väga suurt täpsust, " ütles Vincent. "Tahtsime seda uut koodi kujundada maapinnast kuni mitmesuguste süsteemiarhitektuuride käivitamiseni. See viis meid kasutama Pythoni programmeerimiskeelt, mis on üsna uudne suure jõudlusega arvutuskontekstis, et luua see väga võimas platvorm, mis suudab tänapäevase riistvara ära kasutada, et uurida reaalmaailma probleeme. "

Tormilised ajad

Turbulents, mõiste, mis tavaliselt on seotud katkiste lennukitega, on juba pikka aega mõjutanud teaduslike mõtlejate aju. Tuntud teoreetiline füüsik Richard Feynman kirjeldas turbulentsi kui "klassikalise füüsika kõige olulisemat lahendamata probleemi".

Kuigi turbulentsed nähtused on üldlevinud, pilt lainet rannale lööb või lõõtsast tõusev suitsu lokkimine - täielik matemaatiline kirjeldus jätkab teadlaste eluvõimet.

Väljakutse sõltub turbulentsi süsteemi funktsioonide jälgimisest mitmesugustel skaaladel, mis tekivad, segavad ja liiguvad läbi ruumi ja aega. "Selle mudelit on raske modelleerida, sest peate võrdlema reguleerivaid võrrandeid, mis kirjeldavad põhimõtteliselt, kuidas need süsteemid arenevad, " ütles Vincent. "Need arvulised meetodid põhjustavad vältimatult mõningast viga, kuid selle tagakülg on see, mis aitab teie numbrilist skeemi stabiliseerida."

PyFR tasakaalustab neid tegureid, kasutades väga paralleelset numbrilist skeemi, mida tuntakse kui voogude rekonstrueerimist, riikliku lennundus- ja kosmosetööstuse teadur HT Huynh välja pakutud raamistik, mis ühendab mitu suure täpsusega skeemi.

Erinevalt praegustest CFD-koodidest, mis tavaliselt kasutavad matemaatilisi keskmisi turbulentsete süsteemide ebastabiilsete omaduste ligimeelitamiseks, annab voolu rekonstrueerimine teadlastele võimaluse teha rohkem torbulentsse füüsika peene teralise arvutuse. See tähendab, et teadlased võivad PyFRi käitada suuremahuliste kiirendatud arhitektuuridega, et täpselt lahendada vedeliku funktsioone, mis varem olid kättesaamatud.

Vincent ütles, et meil on sellel suurel arvutusel käyttöjärjestelmämme rohkem võimalusi, kui teadlased saaksid katset. "Peale selle võime potentsiaalselt seda superandmebaasi kasutada, et kohandada tööstusharu standardseid mudeleid, et muuta need täpsemaks."

Virtuaalne tuuletunnel

Kui ettevõtted kasutavad järgmise kergekaalulise ja kütusesäästliku reaktiivmootori loomist, võib tulemuste põhjal saadud kõrge resolutsiooniga simulatsioonid osutuda hindamatuks. Tänapäevased reaktiivmootorite turbiinid on loodud kasutamiseks nii vähe kui võimalik. Kuid see seade võib põhjustada ebastabiilset õhuvoolu, mis vähendab mootori efektiivsust. Selle nähtuse uurimiseks kasutas Vincenti meeskond Titanit, et luua põhilise reaktiivmootori komponendi terviklik simulatsioon, mida nimetatakse madalrõhu turbiiniks.

"Meie eesmärgiks on pakkuda selliseid võimsusi, mis võiksid toimida madala rõhu turbiini kaskaadide virtuaalse tuuletunnelina, kus saate kogu füüsika lahendada ja saada täpset vastust, ilma katsetulemuste kohandamiseta, " ütles Vincent.

Meeskond käivitas oma viie turbiini laba esialgse simuleerimise Šveitsi riikliku superarvuti keskuse Piz Dainti masinas, mis suurendas 5000 süsteemi GPU-de arvutussõlmede simuleerimist. Pärast nende esialgsete tööde edukust sai Vincenti meeskond direktori diskretsiooniõiguse Titanile ja üle 18 000 GPU-le. Titanil oli meeskonna kõrgeima jõudlusega võistlusel 195 miljardit vabadust - sõltumatud muutujad - ning see töötas pidevalt kiirusega 13, 7 petaflopsit või 13, 7 kvadrillionilist arvutust sekundis.

"Titan on ainus superarvuti, mis on piisavalt suur simulatsiooni skaalal, mida me tahame proovida, " ütles Vincent. "See oli tohutu võimendaja selles mõttes."

Lisaks turbifüüsika arvutamisele toetas Vincenti meeskond PyFRi sisseehitatud andmete analüüsivõimalusi, et töödelda saadud simulatsiooniandmeid reaalajas. Selline suutlikkus aitab vältida suurte andmekogumite genereerimist ja järelteavet ning aitab kiirendada kasuliku teabe hankimist.

Globaalne

Olles näidanud oma avatud lähtekoodiga väärtust, on meeskonna järgmises etapis tehnoloogia tootmine tööstusele.

Vincenti meeskond töötab koos algse tarkvarakomponendi Zenotech ja modelleerimise ja simuleerimise keskusega Ühendkuningriigis, et lisada mõned PyFRi täiustatud funktsioonid patenteeritud pilvepõhiseks CFD-koodeksiks, mida nimetatakse zCFDks ja mis avaldatakse käesoleva aasta lõpus. Lisaks töötab meeskond mitmete ettevõtete, sealhulgas BAE Systems, Rolls-Royce ja MTU Aero Engines projektidega.

Vincent ütles, on jätkuvalt prioriteet PyFR-i laiendamine, et lisada täiendavat füüsikat ja jätkata arvutiarhitektuuride muutustega kohanemist.

"Seal on endiselt hulgaliselt asju, mida me tahaksime teha, kuid juht peab tegelikult tööstuses inimesi kasutama seda tehnoloogiat, et kavandada kõike alates tuuleturbiinidelt, sõiduautodele, mehitamata õhusõidukitele. See motiveerib mind." ta ütles.

Lisaks DOE teadusbüroole toetas seda tööd ka Ühendkuningriigi inseneri- ja füüsikateaduste uurimisnõukogu (Innovate UK) ja Euroopa Komisjon programmi Horisont 2020 raames.

menu
menu