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开云体育:鲲鹏大赛案例展示面向千亿级网格不可压壁湍流直接数值模拟方案

发布日期:2022-11-30 20:29:56浏览次数:

  中山大学国家超级计算广州中心“再搞快一点”团队获得鲲鹏应用创新大赛2022深圳赛区HPC赛题一等奖,成功进入全国总决赛后获得金奖!以下为参赛解决方案展示:

  中山大学国家超级计算广州中心是国家在“十二五”期间部署的重大科技创新平台,围绕“天河二号”超级计算机推进高性能计算与大数据深度融合,精心打造科学研究、学科建设、交流合作、技术创新以及人才培养五大支撑平台,力争创建具有中国特色的世界一流超算中心。

  近年来,中心直面国产超算应用的挑战,自主研发了星光、Matgen等超算应用平台,搭建起复杂超算系统与多领域科学应用之间的桥梁,推动我国超算实现从系统性能领先到超算应用能力领先的转变。

  本次参赛团队由中山大学国家超级计算广州中心的三位博/硕士生组成,主要研究方向包括高性能计算、高性能网络、编译/性能优化。

  二、项目背景高雷诺数壁湍流,是流体力学领域的一个重要研究方向,它广泛存在于众多科学工程领域,是流动阻力、能源消耗的重要来源之一。在湍流理论尚不成熟的当下,直接数值模拟(DNS)是目前最可靠、最准确的湍流研究方法,能够提供高时空分辨率的流动信息,推动了许多关于湍流性质的发现。但大规模计算网格导致的高昂计算成本使得DNS的应用并非易事,仍需寻求高效并行计算方法;此外,目前国际上已经实现了千亿级网格规模的不可压壁湍流DNS,而国内尚无同等水平的计算成果。在这样的背景下,我们开发了一个面向千亿级网格不可压壁湍流DNS的高效并行模拟程序——PowerLLEL,并基于鲲鹏计算平台进行了针对性移植优化。

  高雷诺数壁湍流,是流体力学领域的一个重要研究方向,它广泛存在于众多科学工程领域,是流动阻力、能源消耗的重要来源之一。

  在湍流理论尚不成熟的当下,直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)作为一种可提供高度准确、可靠湍流数据的研究方法,在推动湍流研究进展方面发挥着重要的作用。

  但大规模计算网格导致的高昂计算成本使得DNS的应用并非易事,仍需寻求高效并行计算方法;此外,国外研究团队在实施大规模不可压壁湍流DNS方面长期处于领先地位,最大网格规模已高达千亿级。

  在这样的背景下,我们开发了一个面向千亿级网格不可压壁湍流DNS的高效并行模拟程序——PowerLLEL,并基于鲲鹏计算平台进行了针对性移植优化。

  三、技术架构高雷诺数壁湍流,是流体力学领域的一个重要研究方向,它广泛存在于众多科学工程领域,是流动阻力、能源消耗的重要来源之一。在湍流理论尚不成熟的当下,直接数值模拟(DNS)是目前最可靠、最准确的湍流研究方法,能够提供高时空分辨率的流动信息,推动了许多关于湍流性质的发现。但大规模计算网格导致的高昂计算成本使得DNS的应用并非易事,仍需寻求高效并行计算方法;此外,目前国际上已经实现了千亿级网格规模的不可压壁湍流DNS,而国内尚无同等水平的计算成果。在这样的背景下,我们开发了一个面向千亿级网格不可压壁湍流DNS的高效并行模拟程序——PowerLLEL,并基于鲲鹏计算平台进行了针对性移植优化。

  本程序使用Fortran/C混编,支持MPI+OpenMP混合并行,通过设计低通信开销的压力泊松方程快速求解算法、二维区域分解、计算通信重叠等方法增强了大规模并行可扩展能力。

  同时为了充分发挥鲲鹏计算平台的算力,我们使用了多种鲲鹏开发套件DevKit和应用使能套件BoostKit,主要是:使用毕昇(Bisheng)编译器实现程序源码和第三方依赖库的编译,使用HyperMPI加速通信,使用KML_FFT库替换FFTW加速FFT计算。整体解决方案架构如下图所示。

  四、适配成效高雷诺数壁湍流,是流体力学领域的一个重要研究方向,它广泛存在于众多科学工程领域,是流动阻力、能源消耗的重要来源之一。在湍流理论尚不成熟的当下,直接数值模拟(DNS)是目前最可靠、最准确的湍流研究方法,能够提供高时空分辨率的流动信息,推动了许多关于湍流性质的发现。但大规模计算网格导致的高昂计算成本使得DNS的应用并非易事,仍需寻求高效并行计算方法;此外,目前国际上已经实现了千亿级网格规模的不可压壁湍流DNS,而国内尚无同等水平的计算成果。在这样的背景下,我们开发了一个面向千亿级网格不可压壁湍流DNS的高效并行模拟程序——PowerLLEL,并基于鲲鹏计算平台进行了针对性移植优化。在采用上述多种移植优化方法后,我们在鲲鹏920大规模集群上进行了强可扩展性测试,算例网格规模达151亿。测试结果表明(见下图),PowerLLEL可从4096核(32节点)线%,并且有望进一步扩展至更大并行规模,从而解决更大规模(千亿级)的问题。本程序计划完整开源,助力国内湍流领域教学与科研,促进湍流理论发展,对能源、化工、环境等领域CFD计算亦有重要指导意义。

  深圳市金融攻关基地支持高校、科研机构、企业在鲲鹏计算平台上开展适配、迁移及研发,通过大赛、人才培养、沙龙等活动为鲲鹏生态产业孵化人才,实现商业及技术转化。


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