سریع‌ترین ابرکامپیوتر جهان به رکورد شبیه‌سازی آشفتگی در هواپیما دست یافت
پژوهش جدید قابلیت جدیدی از شبیه‌سازی آشفتگی را با رزولوشن رکورد ۳۵ تریلیون نقطه شبکه معرفی می‌کند، با استفاده از Frontier، اولین کامپیوتر اکساسکیل جهان.
“در بسیاری از رشته‌های علمی، مردم فکر می‌کردند که محاسبات در این مقیاس امکان‌پذیر نیست، اما اکنون ما به آنجا رسیده‌ایم، شاید زودتر از پیش‌بینی‌ها،” دکتر پی.کی. یئونگ، استاد مدرسه دانیل گوگنهایم در مهندسی هوافضا در جورجیا تک، در بیانیه‌ای گفت.
ماه گذشته، Frontier به محققان کمک کرد در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) یک معمای ده‌ساله در مورد مغناطیس کلسیم-۴۸ را حل کنند.
سیستم Frontier قدرت شبیه‌سازی را فراهم می‌کند
آشفتگی سیالات، با نوسانات نامنظمش در مقیاس‌های مختلف در زمان و فضای سه‌بعدی، مسئله‌ای پیچیده در علم و چالشی بزرگ در محاسبات با کارایی بالا است.
با وجود پیشرفت فناوری، فهم آشفتگی همچنان چالش‌برانگیز است. به دلیل غیرقابل پیش‌بینی بودن آن، نوسانات شدید می‌توانند اثرات زیان‌باری بر سیستم‌های طبیعی و فنی داشته باشند، که مطالعه آنها را ضروری می‌کند.
شبیه‌سازی عددی مستقیم (DNS)، که معادلات دقیق جرم و حرکت را حل می‌کند، مؤثرترین روش برای مطالعه آشفتگی است. با این حال، DNS به مقدار زیادی قدرت پردازشی نیاز دارد، به‌ویژه برای شبیه‌سازی‌های با رزولوشن بالا.
از اوایل دهه ۲۰۰۰، قدرت پردازش به سرعت افزایش یافته است و به محققان اجازه داده است تا شبیه‌سازی‌ها را با رزولوشن بهتر اجرا کنند، به خصوص برای نمونه‌های جریان سیال ساده‌تر.
وقتی که Frontier به کار گرفت، تیم جورجیا تک دسترسی به آن را در ORNL به دست آوردند. علاوه بر این، برنامه INCITE دفتر علم در وزارت انرژی ایالات متحده زمان‌بندی‌های قابل توجهی برای استفاده از کامپیوتر فراهم کرد. واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) سریع، منبع اصلی قدرت Frontier هستند.
Frontier از CPU ها و GPU های AMD تشکیل شده است که توسط شبکه interconnect Slingshot از HPE در شبکه dragonfly متصل به هم هستند. رزولوشن استفاده شده در این شبیه‌سازی‌ها به‌طور چشمگیری از رکوردهای قبلی پیشی گرفته است و امکانات جدیدی برای تحقیق درباره آشفتگی، به‌خصوص در حل دقیق‌تر مقیاس‌های کوچکتر باز کرده است.
مدلسازی آشفتگی
این مطالعه بر روی شبیه‌سازی‌های عددی مستقیم (DNS) با استفاده از تبدیل سریع فوریه سه‌بعدی (FFT) برای مدلسازی آشفتگی سیالات، یک فرایند بسیار منابع‌بر، تمرکز دارد. DNS زمانی مؤثرترین است که به هندسه‌های ساده‌تر مانند مکعب‌های دوره‌ای اعمال شود، که ایده‌آل برای مطالعه آشفتگی در مقیاس‌های کوچک هستند.
قدرت محاسباتی بالای Frontier اجازه می‌دهد تا شبیه‌سازی‌ها به‌طور کارآمدتری نسبت به سیستم‌های قبلی انجام شود و نیاز به جابه‌جایی داده‌ها بین حافظه‌های CPU و GPU را کم کند.
این مطالعه به پیشرفت‌های شبیه‌سازی‌های آشفتگی اشاره می‌کند، که به رزولوشن ۳۵ تریلیون نقطه شبکه دست یافته است. شبیه‌سازی در رزولوشن ۳۲۷۶۸³. ۵.۶ تا ۸ برابر بیشتر از رکوردهای قبلی نقطه دارد.
محققان ادعا می‌کنند که این رزولوشن بالا باعث پیشرفت‌های مهم در مطالعه آشفتگی می‌شود. این رزولوشن پدیده‌های پیچیده مانند اختلاط، واکنش‌های شیمیایی، حرکت ذرات و میدان‌های مغناطیسی را برای مدلسازی در مقیاس کوچک دقیق‌تر فراهم می‌کند.
هدف از این پژوهش به طور مؤثر مقیاس‌بندی شبیه‌سازی‌ها در هزاران نود Frontier است در حالی که مسائل جابه‌جایی داده را حل می‌کند. توسعه‌های آینده در نرم‌افزار و سخت‌افزار ممکن است این شبیه‌سازی‌ها را بیشتر بهبود ببخشند.
مجموعه کد GESTS، که به‌طور خاص برای Frontier ایجاد شده است، امکان شبیه‌سازی آشفتگی در مقیاس فوق‌العاده بزرگ را فراهم می‌کند و ارائه استفاده‌های احتمالی در ردیابی ذرات و انتقال اسکالر در آینده دارد.
تیم ادعا می‌کند که کار آنها روی شبیه‌سازی آشفتگی‌ها اصول کلیدی برنامه‌نویسی GPU پیشرفته را نیز به نمایش می‌گذارد، که می‌تواند در زمینه‌های دیگر، به ویژه آن‌هایی که به روش‌های طیفی کاذب متکی هستند، ارزشمند باشد.
“انتظار می‌رود که تأثیرات علمی شبیه‌سازی‌های عظیم مقیاسی ما توسط اشتراک داده عمومی با مشارکت با پروژه پایگاه داده آشفتگی NSF-حمایت شده جانز هاپکینز بیشتر تقویت شود،” یئونگ در بیانیه‌ای گفت.
