Diss. ETH No. 19575
Multiresolution flow simulations on
multi/many-core architectures
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
DIEGO ROSSINELLI
Dipl. Infk. Ing., ETH Zürich
born December 14, 1982
citizen of Origlio TI - Schweiz
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. P. Koumoutsakos, examiner
Dr. M. Bergdorf, co-examiner
Prof. Dr. M. Püschel, co-examiner
2011
Abstract
One of the key challenges in Computational Science is closing the gap between the
available computer power and its effective utilization for the simulation of complex
physical systems and engineering applications. In order to achieve this goal we must
minimize the time-to-solution and the related energy requirements of simulations by
developing scalable software and methods that achieve a prescribed accuracy with a
minimum number of computational elements. These two objectives are in conflict as
adaptive methods do not readily translate into scalable software with high computational efficiency.
In this thesis we address both objectives by integrating the development of multiresolution discretization methods for non-linear partial differential equations and their implementation on multicore CPU and GPU architectures. These algorithms are in turn
applied to the simulation of challenging fluid dynamics phenomena which are exemplary
in their computational complexity for the broader field of Computational Science.
What makes the simulation of fluid flows so challenging? Fluid flows evolve by the
interaction of vortical structures with multiple spatial and temporal scales. The economy of accurately simulating vortex dynamics dictates multiresolution computational
methods, since the small size of elements devoted to either the near-wall region of bluff
body flows or around shocks is not necessary for tracking smoother vortical structures
in the flow field. We develop grid- and particle-based methods to effectively resolve
these flows that rely on wavelet-based multiresolution representations. The development of adaptive, multiresolution discretization methods entails complex data structures
that do not readily render themselves to parallelization on multicore CPUs and GPUs.
This thesis presents highly competitive techniques to effectively map wavelet-based
multiresolution numerical methods onto multicore and heterogeneous multi-GPU/CPU
systems.
We develop scalable software and present simulations of bluff body and multiphase compressible flows at unprecedented resolution and minimum time-to-solution, enabling
previously unattainable physical insight and fast engineering calculations.
iii
Sommario
Una questione tuttora irrisolta nell’ambito delle scienze computazionali riguarda il design di algoritmi che portano a una significativa riduzione delle operazioni di calcolo e al tempo stesso impiegano in maniera ottimale le risorse computazionali offerte
dall’hardware moderno, quali GPU e multicore CPU.
Un esempio in cui emerge questa difficoltà riguarda la simulazione delle dinamiche dei
flussi attorno ad ostacoli e dei flussi multifase, che è considerata di grande interesse
scientifico. La sfida computazionale è lo sviluppo di software che combina l’impiego di
schemi numerici avanzati con tecnologie di calcolo parallelo odierne in modo da ridurre
sensibilmente i tempi di simulazione. Un primo obbiettivo di questa tesi è lo sviluppo
di tali algoritmi, combinando delle tecniche di discretizzazione all’avanguardia e delle
tecniche mirate a sfruttare la potenza di calcolo moderno dei computer multicore e
GPU.
Sebbene la capacità di calcolo delle CPU e delle GPU siano in costante crescita, al
momento appare inverosimile che queste tecnologie, da sole, siano in grado di risolvere
problemi di ingegneria su vasta scala. L’adattività spazio-temporale è un requisito
fondamentale nelle simulazioni numeriche d’avanguardia. Un secondo tema affrontato
in questa tesi riguarda lo sviluppo di metodi che uniscano tale adattività ad un utilizzo
efficace di sistemi multicore e multiGPU.
In seguito mostriamo le elevate prestazioni di questi metodi nel contesto di varie applicazioni scientifiche, quali lo studio di flussi attorno ad ostacoli e lo studio di flussi
comprimibili bifase. Scopo di questa tesi è anche lo sviluppo di tecniche di software
integrative che mirano a colmare il crescente divario tra le prestazioni dell’hardware
moderno e quelle delle simulazioni scientifiche nell’ambito dei fluidi.
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