Weltrekord-Simulation in Fluiddynamik
Neuer Weltrekord für Fluid-Dynamik-Simulationen: Ein Team von Computerwissenschaftlern unter Federführung der ETH Zürich simulierte den Kollaps von Bläschen in einer Kavitationswolke und erreichten dabei eine bisher unerreichte Auflösung und Rechenleistung.
Die Simulation stellt die als Kavitation bekannte Implosion einer Bläschenwolke in einer Flüssigkeit dar. Dieses Phänomen ist verantwortlich für teilweise verheerende Schäden an Rotorblättern von Turbinen. Es kann aber auch genutzt werden, um Krebs zu bekämpfen oder Nierensteine zu zertrümmern. Die vorliegende Simulation ist die umfangreichste, die je auf diesem Gebiet der Fluiddynamik durchgeführt wurde. Mit ihr lassen sich 15‘000 Luftbläschen hochaufgelöst berechnen. Die bisherigen Rekordhalter von der TU München konnten vor Jahresfrist lediglich 100 Bläschen simulieren. Darüber hinaus ist der verwendete Code 20mal schneller als derjenige der vorherigen Rekordhalter für Fluiddynamik-Simulationen von der externe SeiteStanford University. Entwickelt wurde er von den Forschern des Computational Science & Engineering Lab (CSE Lab) der ETH Zürich und des IBM Forschungszentrums in Rüschlikon in Kooperation mit der TU München und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Für diese Simulationen hat das Forschungsteam an der SC13 in Denver den externe SeiteGordon Bell Prize, mit dem hervorragende Arbeiten im Hochleistungscomputing ausgezeichnet werden, erhalten.
Zur Berechnung seiner Simulation verwendete das Forschungsteam 1,6 Millionen Rechnerkerne (Cores) des Seqouia-Hochleistungsrechners des LLNL bei einer Dauerrechenlast von 14,4 Petaflops. Zum Vergleich: Zu diesem Zeitpunkt verfügte der schnellste Supercomputer am CSCS über zwölf Racks mit einer potentiellen Spitzenleistung von 0,75 Petaflops. Die Computerwissenschaftler erreichten 73 Prozent der theoretisch möglichen Spitzenrechenleistung des Sequoia-Systems. Beim Hochleistungscomputing in Fluiddynamik gelten bereits 10 Prozent als sehr guter Wert. Zentral bei solchen Projekten ist, das gesamte Rechenproblem möglichst geschickt in kleine Portionen zu zerlegen, um die Rechenkapazität optimal nutzen zu können.
Kavitation untersuchen
Die Weltrekord-Simulation ebnet den Weg, um beispielsweise die Kavitation besser zu untersuchen. Dabei geht es um die Entstehung und den heftigen Kollaps von Bläschen in einer Flüssigkeit. Sie tritt bei schnell bewegten Objekten im Wasser wie Wasserturbinen, Propellern oder auch in Einspritzungsmotoren auf.
Bei der Kavitation geschieht folgendes: Der Druck in einer Flüssigkeit sinkt ab, sobald die Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeit bewegt, steigt. Wird der statische Druck der Flüssigkeit kleiner als ihr Dampfdruck, können sich Gasblasen bilden, welche anwachsen und von der Strömung mitgerissen werden. Gelangen diese Blasen schliesslich in Bereiche höheren statischen Drucks, steigt der Dampfdruck an. Dadurch kondensiert der Dampf in den Blasen schlagartig. Sie implodieren simultan, weshalb kurzzeitig extreme Druckspitzen auftreten, welche Propeller oder Verbrennungskammern in Motoren zerstören können. Das zerstörerische Potenzial der Kavitation kann jedoch auch genutzt werden. Seit kurzem wird das Phänomen in der Medizin dazu verwendet, um Tumorzellen zu vernichten und Medikamente am richtigen Ort effizient einzusetzen.
Die Heftigkeit und die extrem kurze Zeitspanne, in der die Bläschen implodieren, haben es sowohl experimentell arbeitenden Forschern als auch Computerwissenschaftlern bis anhin erschwert, den Vorgang quantitativ zu beschreiben und dadurch besser zu verstehen. Solch umfangreiche Simulationen in der Fluiddynamik stellen äusserst hohe Anforderungen an die Parallelisierung und die Rechnerarchitektur.
Kluft geschlossen
Geleitet wurde das Weltrekordprojekt von Diego Rossinelli, Babak Hejazialhosseini und Panagiotis Hajidoukas aus der Gruppe von ETH-Professor Petros Koumoutsakos am CSE Lab. Für ihn ist die Rekordsimulation seines Teams das Resultat einer 10-jährigen Entwicklungsarbeit, mit der es ein grundlegendes Problem der rechnergestützten Wissenschaft untersuchte: die immer grösser werdende Kluft zwischen dem Potenzial der Hardware und deren effektiven Nutzung zur Lösung von Ingenieur-Fragestellungen. «Diese Herausforderung besteht insbesondere bei Fluiddynamik-Simulationen, die notorisch schwierig auf massiv parallele Computerarchitekturen zu übertragen sind», betont der ETH-Professor.
Sie hätten bei der Entwicklung der Software einen besonderen Effort leisten müssen, um die Vorteile heutiger Computerarchitektur, welche die Parallelisierung begünstigt, effektiv ausnutzen zu können. «Erst die saubere Kombination von Computerwissenschaften und dem mathematischen Fachgebiet der Numerik hat den soeben erzielten Weltrekord ermöglicht», sagt Koumoutsakos.
Ultra-skalierbarer Code
Möglich geworden ist dieser Rekord auch dadurch, dass im BlueGene/Q-System von IBM eine Reihe von neuen Hardware- und Softwarekomponenten eingesetzt wurden. «Diese haben es uns erlaubt, einen ultra-skalierbaren Code zu entwickeln, dessen Leistungsfähigkeit eine Grössenordnung besser ist, als die der bisherigen Technik», betont Alessandro Curioni, Leiter des Mathematical and Computational Sciences Departements am IBM Forschungszentrum.