Les simulations environnementales accélérées par GPU surpassent les supercalculateurs

• Un doctorant développe une technologie de jeu qui exécute des simulations complexes sur un GPU. 
• La simulation consiste à écraser des vagues océaniques géantes contre des éoliennes offshore. 
• Une simulation de rupture de barrage sur un GPU s'est déroulée jusqu'à 4,5 fois plus rapidement que les temps d'exécution d'un processeur à 16 threads.

Alex Chow, qui poursuit un doctorat à l'Université de Manchester, a créé un programme permettant d'effectuer des simulations techniques et scientifiques complexes sur des unités de traitement graphique (GPU).

Jusqu'à présent, les cartes graphiques haut de gamme sont utilisées pour créer des visuels réalistes et un gameplay rapide pour les PC, les ordinateurs portables et les consoles de jeux. Mais aujourd'hui, les GPU apparaissent comme une technologie permettant d'accélérer les simulations complexes, en exécutant plusieurs applications plus de cent fois plus rapidement que les processeurs traditionnels.

Le but ultime est de réaliser des simulations à grande échelle sur des cartes graphiques plutôt que sur des supercalculateurs. Étant donné que les supercalculateurs sont constitués de centaines de processeurs connectés en parallèle, ils consomment beaucoup d’énergie tout en effectuant des milliards de calculs. De plus, ils sont très coûteux et sont accessibles à un petit nombre de scientifiques et de chercheurs.

D’un autre côté, les GPU sont économes en énergie et beaucoup moins chers que les supercalculateurs classiques. Ils n’ont pas besoin d’une salle entière ou d’installations exclusives. En fait, les cartes graphiques modernes sont suffisamment compactes pour être installées dans un ordinateur portable.

Quelle simulation a été réalisée jusqu'à présent ?

Chow a développé un logiciel capable de créer des simulations à grande échelle d'écoulements de fluides violents sur de puissantes cartes graphiques. La simulation consiste à écraser des vagues océaniques géantes contre des éoliennes offshore, afin de mieux examiner les forces (y compris le potentiel d'impact) exercées sur les structures.



Comment a-t-il fait ?

Le logiciel est développé à l’aide d’un code open source, nommé DualSPhysics, basé sur un modèle d’hydrodynamique de particules lisses (SPH). Le code permet à la simulation complexe (comme les écoulements hydrodynamiques violents) de s'exécuter sur un GPU. Il peut gérer le calcul de millions de points de données pour des applications scientifiques 3D sur un seul appareil.

Pour Chow, la partie la plus difficile consistait à résoudre simultanément des systèmes mathématiques composés de millions d'équations qui changeaient rapidement au cours d'une simulation.

Référence :ScienceDirect | est ce que je:10.1016/j.cpc.2018.01.005 | Université de Manchester 

Détails techniques

Le SPH incompressible est exécuté en optimisant le code SPH faiblement compressible et en l'intégrant à ViennaCL (bibliothèque d'algèbre linéaire open source) pour une mise en œuvre rapide de l'équation de Poisson de pression (PPE).

Une matrice PPE est créée pour déplacer les particules à des intervalles spécifiques, afin d'optimiser la mémoire limitée du GPU. L'algorithme de projection de pression incompressible SPH est exécuté à 4 niveaux différents. De plus, une condition aux limites précise et robuste est établie pour un traitement parallèle efficace.

Organigramme des étapes répétitives clés dans le pas de temps DualSPHysics Predictor–Corrector sur un GPU

De nombreux cas de validation sont présentés dans cette recherche pour démontrer la précision, la rapidité et la flexibilité de la technologie. Par exemple, une simulation de dambreak sur un GPU s'est déroulée respectivement jusqu'à 4,5 fois et 18 fois plus rapidement que les temps d'exécution d'un processeur à 16 threads et à un seul thread.

En quoi cette simulation peut-elle vous aider ?

Le Royaume-Uni produit 5 % de l'énergie électrique annuelle à partir de l'énergie éolienne offshore, et cette part devrait atteindre 10 % au cours des deux prochaines années, et cette croissance est en croissance dans le monde entier.

Parfois, l’environnement océanique est extrêmement rude et violent, c’est pourquoi il n’est pas facile de développer des structures adaptées. Les expériences physiques sur ces environnements seraient très coûteuses et prendraient beaucoup de temps, ou on peut dire que ce n'est pas pratique.

Lire :Le premier réseau neuronal au monde basé sur la technologie de traitement optique

Ces simulations aideront les scientifiques et les ingénieurs à prendre des mesures et des décisions cruciales concernant la conception des structures et les applications industrielles d'ingénierie hydrodynamique à surface libre, sans investir dans des expériences coûteuses.