Exascale-fähige Softwarewerkzeuge zur Strömungssimulation im industriellen Design- und Optimierungsprozess - EXASIM : Richtlinie: Neue Methoden und Technologien für das Exascale-Höchstleistungsrechnen (SCALEXA)

Abstract

Im EXASIM-Projekt wurden Methoden zur effizienten Nutzung moderner Hochleistungsrechner mit GPU-Beschleunigern für industrielle CFD-Simulationen entwickelt und untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der Beschleunigung bestehender OpenFOAM-basierter Simulationsworkflows durch die Auslagerung rechenintensiver Komponenten auf GPUs. Hierzu wurde der OpenFOAM-Ginkgo-Layer (OGL) entwickelt, der eine Kopplung zwischen OpenFOAM und der linearen Algebra-Bibliothek Ginkgo bereitstellt und somit den Einsatz skalierbarer Krylov-Unterraumverfahren auf heterogenen CPU/GPU-Systemen ermöglicht. Zur Reduktion von Datenübertragungen zwischen CPU Speicher und GPU wurden persistente Datenstrukturen, Repartitionierungsverfahren sowie optimierte Abbruchkriterien implementiert. Die Ergebnisse zeigen signifikante Leistungssteigerungen für typische CFD-Testfälle, wobei insbesondere bei solverdominierten Simulationen deutliche Beschleunigungen erreicht werden konnten. Da sich in vielen industriellen Anwendungen die Matrixassemblierung als neuer Flaschenhals erwies, wurde zusätzlich mit der NeoN-Bibliothek ein Ansatz zur GPU-basierten Assemblierung von Finite-Volumen-Operatoren entwickelt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass hybride Offloading-Strategien einen praktikablen Weg zur Nutzung moderner HPC-Systeme für großskalige CFD-Simulationen darstellen und eine wichtige Grundlage für zukünftige exascale-fähige Strömungssolver bilden.