Simulações ambientais aceleradas por GPU superam supercomputadores

• Um estudante de doutorado desenvolve uma tecnologia de jogos que executa simulações complexas em uma GPU. 
• A simulação envolve a colisão de ondas oceânicas gigantes contra turbinas eólicas offshore. 
• Uma simulação de Dambreak em uma GPU foi executada até 4,5 vezes mais rápido do que os tempos de execução de uma CPU de 16 threads.

Alex Chow, que está fazendo doutorado na Universidade de Manchester, construiu um programa para realizar simulações científicas e de engenharia complexas em unidades de processamento gráfico (GPUs).

Até agora, placas gráficas de última geração são usadas para criar visuais realistas e jogabilidade rápida para PCs, laptops e consoles de jogos. Mas agora, as GPUs estão emergindo como uma tecnologia para acelerar simulações complexas, executando diversas aplicações mais de cem vezes mais rápido que as CPUs tradicionais.

O objetivo final é realizar simulações em larga escala em placas gráficas em vez de supercomputadores. Como os supercomputadores consistem em centenas de CPUs conectadas em paralelo, eles consomem muita energia enquanto realizam bilhões de cálculos. Além disso, são muito caros e estão disponíveis para um pequeno número de cientistas e pesquisadores.

Por outro lado, as GPUs são energeticamente eficientes e muito mais baratas que os supercomputadores convencionais. Eles não precisam de um quarto inteiro ou de instalações exclusivas. Na verdade, as placas gráficas modernas são compactas o suficiente para serem instaladas em um laptop.

Que simulação foi realizada até agora?

Chow desenvolveu um software que pode criar simulações em grande escala de fluxos violentos de fluidos em placas gráficas poderosas. A simulação envolve a colisão de ondas oceânicas gigantes contra turbinas eólicas offshore, para melhor examinar as forças (incluindo o potencial de impacto) exercidas sobre as estruturas.



Como ele fez isso?

O software é desenvolvido usando um código-fonte aberto, denominado DualSPhysics, que é baseado em um modelo de hidrodinâmica de partículas suaves (SPH). O código permite que simulações complexas (como fluxos hidrodinâmicos violentos) sejam executadas em uma GPU. Ele pode lidar com a computação de milhões de pontos de dados para aplicações científicas 3D em um único dispositivo.

Para Chow, a parte mais desafiadora foi resolver sistemas matemáticos de milhões de equações simultaneamente que mudam rapidamente ao longo de uma simulação.

Referência:ScienceDirect | doi:10.1016/j.cpc.2018.01.005 | Universidade de Manchester 

Detalhes Técnicos

O SPH incompressível é executado otimizando o código SPH fracamente compressível e integrando-o com ViennaCL (biblioteca de álgebra linear de código aberto) para implementação rápida da equação de Poisson de pressão (PPE).

Uma matriz PPE é criada para mover partículas em intervalos específicos, a fim de otimizar a memória limitada da GPU. O algoritmo de projeção de pressão SPH incompressível é executado em 4 níveis diferentes. Além disso, uma condição de contorno precisa e robusta é estabelecida para um processamento paralelo eficiente.

Diagrama de fluxo das principais etapas repetidas no intervalo de tempo do DualSPHysics Predictor – Corrector em uma GPU

Numerosos casos de validação são mostrados nesta pesquisa para demonstrar a precisão, velocidade e flexibilidade da tecnologia. Por exemplo, uma simulação de dambreak em uma GPU foi executada até 4,5 vezes e 18 vezes mais rápido do que os tempos de execução de CPU de 16 threads e de thread único, respectivamente.

Como esta simulação pode ajudar?

O Reino Unido produz 5% da energia eléctrica anual a partir da energia eólica offshore, que deverá crescer para 10% nos próximos 2 anos, e está a crescer em todo o mundo.

Às vezes, o ambiente oceânico é extremamente hostil e violento, e é por isso que desenvolver estruturas para eles não é uma tarefa fácil. Experimentos físicos nesses ambientes seriam muito caros e demorados, ou pode-se dizer que não são práticos.

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Essas simulações ajudarão cientistas e engenheiros a tomar medidas e decisões cruciais sobre o projeto da estrutura e aplicações de engenharia hidrodinâmica industrial de superfície livre, sem investir em experimentos caros.