Το πρόγραμμα υπολογιστών Exascale προσφέρει ευκαιρίες στον κλάδο για την επιτάχυνση της μηχανικής και της επιστήμης

By | February 20, 2024

20 Φεβρουαρίου 2024 — Κατά τη διάρκεια της επταετούς διάρκειάς του, το Exascale Computing Project (ECP) του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) ανέπτυξε ένα οικοσύστημα υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC), που συνδυάζει κρίσιμες εφαρμογές, μια στοίβα ολοκληρωμένη τεχνολογία λογισμικού και προόδους υλικού για την εκδήλωση και τη βελτιστοποίηση των νεότερων και ισχυρότερων υπερυπολογιστών στον κόσμο.

Το Frontier, το πρώτο σύστημα exascale DOE που κυκλοφόρησε στο διαδίκτυο, έχει ήδη αποδώσει πρωτοφανή αποτελέσματα. Χρησιμοποιώντας λογισμικό συμβατό με ECP, οι ερευνητές μπορούν να εκτελέσουν εργασίες στο Frontier που προσομοιώνουν φυσικές διεργασίες σε ακραίες κλίμακες και πολυπλοκότητα, επιτρέποντας την παρατήρηση φαινομένων που δεν είναι προσβάσιμα με λιγότερο ισχυρά μηχανήματα.

Για τους βιομηχανικούς εταίρους, και τελικά για ολόκληρη την κοινότητα HPC, τη βάση της αμερικανικής τεχνολογικής ανταγωνιστικότητας, η exascale προσφέρει την ευκαιρία να μελετήσουν επιστημονικές και τεχνικές προκλήσεις που ήταν υπερβολικά υπολογιστικά εντατικές και πολύ δαπανηρές για να αντιμετωπιστούν προηγουμένως, παρέχοντας ένα μονοπάτι για την πρόοδο της μηχανικής πολύ πέρα ​​από τρέχουσα κατάσταση γνώσης. Τέχνη. Στο SC23, που πραγματοποιήθηκε στο Ντένβερ του Κολοράντο, τον περασμένο Νοέμβριο, τα μέλη του Συμβουλίου Βιομηχανίας και Αντιπροσωπειών του ECP, αποτελούμενο από ηγέτες αμερικανικών εταιρειών, κυβερνητικών υπηρεσιών και εκδότες ανεξάρτητου λογισμικού, εξέτασαν τον αντίκτυπο του ECP και τη μετάβαση σε exascale στην τρέχουσα και προγραμματισμένη Η χρήση του HPC θα επιταχύνει το σχεδιασμό και την κατασκευή εξαρτημάτων, θα ενισχύσει την ανταγωνιστικότητα και θα ενισχύσει την παγκόσμια ηγετική θέση στην τεχνολογία.

Ψηφιακά δίδυμα και πολυεπιστημονική προσομοίωση

Ο Pete Bradley, ανώτερος ερευνητής στα ψηφιακά εργαλεία και την επιστήμη δεδομένων στην Pratt & Whitney, τόνισε τη χρησιμότητα της exascale για την προσομοίωση της πολύπλοκης φυσικής καύσης που σχετίζεται με κινητήρες αεριοστροβίλων τρέχουσας και επόμενης γενιάς.

«Βιώνουμε έναν ψηφιακό μετασχηματισμό», είπε ο Bradley. «Η Pratt & Whitney χτίζει μια επιχείρηση που βασίζεται σε ένα μοντέλο που συνδέει όλες τις πτυχές του κύκλου ζωής των προϊόντων μας, από τις απαιτήσεις των πελατών έως τον προκαταρκτικό σχεδιασμό, τα λεπτομερή σχέδια, την κατασκευή και τη συντήρηση. Η προηγμένη μοντελοποίηση μας βοηθά να δημιουργήσουμε ψηφιακά δίδυμα που μας επιτρέπουν να βελτιστοποιούμε ουσιαστικά τα προϊόντα πριν λυγίσουμε ένα μόνο κομμάτι μετάλλου. Αυτό θα φέρει νέες προόδους στους πελάτες μας όσον αφορά τις επιδόσεις, την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων και θα μειώσει τον χρόνο που χρειάζεται για να περάσει από την ιδέα στην παραγωγή. Η εκτέλεση αυτής της δουλειάς απαιτεί έγκυρα μοντέλα σε πολλαπλά επίπεδα πιστότητας, από παγκόσμια έως νανοκλίμακα. Η υπολογιστική κλίμακα Exascale μπορεί να μας επιτρέψει να κατανοήσουμε αυτά τα φαινόμενα που προηγουμένως ήταν απρόσιτα και στη συνέχεια μπορούμε να ενσωματώσουμε αυτά τα μοντέλα για να προσφέρουμε δυνατότητες πέρα ​​από οτιδήποτε έχει δει ο κόσμος. »

Ο Bradley επισημαίνει ότι οι πολυεπιστημονικές προσομοιώσεις προσφέρουν έναν τρόπο ταυτόχρονης οπτικοποίησης διαφόρων φυσικών διεργασιών, για παράδειγμα αλληλεπιδράσεις ρευστού-δομής, που παίζουν κρίσιμο ρόλο στην απόδοση και τη διάρκεια ζωής ενός εξαρτήματος. Η πολυπλοκότητα αυτών των χώρων σχεδιασμού απαιτεί τη χρήση των σημερινών εργαλείων και την επινόηση αυτών του αύριο. Ο Bradley εξήγησε πώς η μηχανική μάθηση σε συνδυασμό με την τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να προσφέρει έναν μηχανισμό για μοντέλα «βασισμένα στη φυσική» και όχι απλά στην εμπειρία για να επιταχύνουν το μελλοντικό σχεδιασμό εξαρτημάτων και την εμπορευματοποίηση προϊόντων. Είπε: «Υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος» όσον αφορά την ικανότητα υπερυπολογιστών, η οποία έχει συναρπαστικές επιπτώσεις για τη βιομηχανία.

Επικύρωση GPU και λογισμικού

Στην εταιρεία πετρελαίου και φυσικού αερίου ExxonMobil, η υποεπιφανειακή απεικόνιση είναι ένα μεγάλο μέρος των ανάντη δραστηριοτήτων της, επιτρέποντας στους επιστήμονες να διαχωρίσουν οπτικά τις διαφορετικές ιδιότητες των πετρωμάτων μέσα στη Γη. Με περισσότερες υπολογιστικές δυνατότητες, το επίπεδο λεπτομέρειας σε αυτές τις εικόνες έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 30 χρόνια.

«Ο υπολογισμός οδηγεί πραγματικά δύο σημαντικά πράγματα», δήλωσε ο Mike Townsley, ανώτερος διευθυντής της HPC στην ExxonMobil. «Είναι καλύτερες εικόνες και ταχύτερος χρόνος ανάλυσης και τα ανταλλάσσουμε ανάλογα με το πόσο σημαντικό είναι ένα έργο ή πόσο σημαντική είναι μια πραγματικά ευκρινής εικόνα σε μια περιοχή. »

Το 2021-2022, η εταιρεία διεξήγαγε μια διεπιστημονική, σε βάθος μελέτη για να προσδιορίσει ποια χωρητικότητα HPC θα χρειαζόταν για να διπλασιαστεί ο ρυθμός καρέ, αντιμετωπίζοντας παράλληλα τους περιορισμούς ισχύος και χώρου. Ο Τάουνσλι είπε: «Καταλάβαμε […] ότι δεν ήταν δυνατό να γίνει αυτό χωρίς GPU. Η απόφαση για μετάβαση σε GPU. Ωστόσο, αυτό μετριάστηκε από το κόστος σε δολάρια ανά απόδοση ενός συστήματος καθώς και από το χρόνο και το κόστος που σχετίζεται με τη μετακίνηση κώδικα που χρησιμοποιείται για δεκαετίες στις αρχιτεκτονικές GPU.

Ο Townsley τόνισε τον ηγετικό ρόλο της ECP στην αποδοχή συσκευών GPU στην ExxonMobil:[The] Οι προσπάθειες της ECP έχουν αποδείξει ότι οι επιταχυντές GPU (και τα οικοσυστήματα λογισμικού τους) είναι παραγωγικοί σε μεγάλη ποικιλία επιστημονικών πεδίων, μειώνοντας έτσι τους κινδύνους που συνδέονται με την απόφασή μας.

Σύμφωνα με τον Townsley, το ECP οδήγησε στην επίδειξη της σκοπιμότητας αρχιτεκτονικών που βασίζονται σε GPU για την οπτικοποίηση διαφορετικών προβλημάτων φυσικής και αυτό το έργο έδωσε στην εταιρεία αυτοπεποίθηση γνωρίζοντας ότι τα εργαλεία και οι δυνατότητες θα ήταν διαθέσιμα όταν αρχίσει να μεταφέρει τον κώδικά της. Αποδίδει μεγάλο μέρος αυτής της βελτίωσης στην υποστήριξη και την επένδυση του ECP σε βασικά εργαλεία και βιβλιοθήκες όπως το SPACK, το OpenMPI, το HDF5 και το zfp.

Αναγνώρισε επίσης τις σουίτες λογισμικού φορητότητας ECP, Kokkos και Raja, για την ανάπτυξη μελλοντικών εργαλείων ανεξάρτητων από πλατφόρμα. Τελικά, «οι καλύτερες εικόνες οδηγούν σε καλύτερα αποτελέσματα», σημειώνει ο Townsley, και το ECP έχει ανοίξει το δρόμο για να γίνουν πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις του υπεδάφους πραγματικότητα και με πολύ υψηλότερη απόδοση.

Βασικά οφέλη πέρα ​​από το exascale

Για την GE Aerospace Research, οι υπολογιστές exascale της DOE γίνονται ένα χρήσιμο εργαλείο για την εικονική δοκιμή νέων σχεδίων κινητήρων για την επίτευξη μεγαλύτερης απόδοσης καυσίμου και τη μείωση των εκπομπών CO2. «Έχουμε συνηθίσει να δουλεύουμε με το [national] εργαστήρια στροβιλομηχανών πρόωσης», λέει ο Rick Arthur, ανώτερος κύριος μηχανικός υπολογιστικών μεθόδων στην εταιρεία. Ιστορικά, οι προσομοιώσεις κινητήρων τζετ περιορίζονταν σε αυτό που ήταν ρεαλιστικά υπολογίσιμο.

Ο Arthur σημειώνει ότι καθώς η κοινότητα HPC προχωρά προς την κλίμακα exascale και πέρα, αυτές οι προσομοιώσεις επεκτείνονται πέρα ​​από τις απλές λεπίδες σε σειρές, ολόκληρα στάδια, ακόμη και ολόκληρα συστήματα. Ο Arthur εξηγεί ότι το Frontier παρείχε μια πλατφόρμα για την αξιολόγηση των αεροδυναμικών και ακουστικών πτυχών ενός νέου σχεδιασμού κινητήρα ανοιχτού ανεμιστήρα σε πλήρη κλίμακα και υπό ρεαλιστικές συνθήκες πτήσης, ένα κατόρθωμα που ήταν αδύνατο χωρίς την υπολογιστική ισχύ της «exascale».

Ωστόσο, ο Arthur επισημαίνει ότι το ECP προσφέρει ένα βασικό πλεονέκτημα πέρα ​​από την πρόσβαση σε συστήματα exascale. «Η αναζήτηση της κλίμακας exascale ήταν εξίσου σημαντική με την ίδια την exascale, καθώς παρέχει άφθονη κλίμακα peta», είπε. “Τα προβλήματα που απαιτούν το πλήρες μέγεθος του μηχανήματος είναι σπάνια (και επί του παρόντος απαγορευτικά ακριβά για τη δημιουργία, την επαλήθευση και την ερμηνεία), αλλά αυτή η αφθονία επιτρέπει στα εξερευνητικά σύνολα να λειτουργούν πιο ελεύθερα στην κλίμακα πεταμέτρων, η οποία είναι πολύ πιο προσιτή για πολλούς η βιομηχανία.”

Επιπλέον, ο Arthur σημειώνει ότι οι σχέσεις, οι τεχνολογικές εξελίξεις και τα διδάγματα που αντλήθηκαν από τη συμμετοχή στο ECP βοήθησαν στην ενημέρωση των εσωτερικών επενδύσεων HPC και της ετοιμότητας της εταιρείας. Όσον αφορά την επέκταση των δυνατοτήτων του τι μπορεί να γίνει υπολογιστικά, ο Arthur λέει, «Η DOE ήταν ο ηγέτης και είμαστε ευγνώμονες που ακολουθούμε. »

Λήψη, επεξεργασία, ενεργοποίηση

Η TAE Technologies, Inc. είναι μια ιδιωτική εταιρεία σύντηξης που εργάζεται για την κατασκευή μιας βιώσιμης, εμπορικής μονάδας παραγωγής ενέργειας σύντηξης ως πηγή άφθονης καθαρής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια της 25χρονης ιστορίας της, η εταιρεία ανέπτυξε όλο και πιο προηγμένες και μεγαλύτερες μηχανές και η σχετική επιστήμη γίνεται όλο και πιο περίπλοκη. «Καθώς οι μηχανές γίνονται μεγαλύτερες και τα προβλήματα φυσικής που αντιμετωπίζουμε γίνονται πιο περίπλοκα, το λογισμικό μοντελοποίησης που χρειαζόμαστε και οι δυνατότητες HPC που χρειαζόμαστε για να λύσουμε αυτά τα προβλήματα αυξάνονται επίσης», είπε ο Roelof, επιστήμονας υπολογιστών στο TAE.

Καθώς οι μηχανές γίνονται μεγαλύτερες, απαιτείται περισσότερη υπολογιστική ισχύς για τη μοντελοποίηση του συνολικού μεγέθους του αντιδραστήρα. Κατά τη διάρκεια της συζήτησης στο πάνελ, ο Groenewald τόνισε τα πλεονεκτήματα του σχεδιασμού σπονδυλωτών λογισμικού, όπως αποδεικνύεται από τον δημόσιο κώδικα WarpX του ECP και τη χρήση του στο σχεδιασμό αντιδραστήρων σύντηξης. «Η φροντίδα που δόθηκε από τους προγραμματιστές του WarpX για τη διαμόρφωση του κώδικα μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε ένα πολύ διαφορετικό μοντέλο για την προσομοίωση πειραμάτων σύντηξης επόμενης γενιάς. Επειδή το WarpX κλιμακώνεται καλά, οι προσομοιώσεις μας που βασίζονται στο WarpX κλιμακώνονται επίσης καλά.

Το WarpX σχεδιάστηκε αρχικά για να προσομοιώνει επιταχυντές σωματιδίων επόμενης γενιάς μέσω επιτάχυνσης wakefield με λέιζερ-πλάσμα, αλλά οι χρονικές και χωρικές κλίμακες ενδιαφέροντος είναι διαφορετικές από αυτές που χρειάζεται η κοινότητα σύντηξης.

«Ένα από τα οφέλη για εμάς, και αυτό ισχύει για πολλά προϊόντα ECP, είναι ότι ο κώδικας είναι εντελώς ανοιχτού κώδικα. Ο κώδικας είναι εύκολος στην εκκίνηση, δωρεάν λήψη και δωρεάν επεξεργασία, κάτι που είναι απαραίτητο για την περίπτωση χρήσης μας», λέει ο Groenewald. «Οι προγραμματιστές αφιέρωσαν χρόνο για να αναπτύξουν το WarpX με έναν εξαιρετικά αρθρωτό τρόπο, όπου οι διαφορετικοί φυσικοί πυρήνες είναι ουσιαστικά ανεξάρτητοι μεταξύ τους και μπορούν να μετακινηθούν και να τακτοποιηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν πολύ γρήγορα να δημιουργήσουν ένα διαφορετικό μοντέλο από τα εξαρτήματα που θα προσομοιώσουν. τη συγκεκριμένη διάρκεια και τις προθεσμίες που μας ενδιαφέρουν.

Ο Groenewald απηχεί το συναίσθημα ότι η πληθώρα πτυχών petascale της exascale παρέχει την ευκαιρία να εκτελεστούν σύνολα εργασιών για να εξερευνήσουν πολλές πτυχές του σχεδιασμού. Χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή Perlmutter του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley, η εταιρεία έτρεξε ολόκληρο τον κώδικά της σε σημαντικά λιγότερο χρόνο (1 ημέρα αντί για 10), υποδεικνύοντας πώς τα προϊόντα ECP συμβάλλουν σημαντικά στη βελτίωση της ταχύτητας επανάληψης σχεδίων επιταχύνοντας τον χρόνο ανάλυσης.

Περίληψη

Περνώντας τα όρια του τι είναι υπολογιστικά δυνατό και δίνοντας τη δυνατότητα στους χρήστες να κάνουν περισσότερα, οι ηγέτες του κλάδου τονίζουν την αξία του λογισμικού ECP και της επιτάχυνσης GPU στην εργασία τους. Η χρήση GPU και μελλοντικών επιταχυντών είναι απαραίτητη για την απόδοση και την ενεργειακή απόδοση σε όλα τα επίπεδα υπολογιστικών συστημάτων: από επιτραπέζιους υπολογιστές έως τοποθετημένα σε rack έως ένα τοπικό κέντρο HPC ή κέντρο υψηλής κλίμακας. Το ECP συγκέντρωσε επιστήμονες, εμπειρογνώμονες πληροφορικής, πωλητές και βιομηχανία με στόχο να γίνει πραγματικότητα το exascale και, με αυτόν τον τρόπο, έδειξε ότι η πρόοδος μπορεί να βελτιωθεί από κοινού. Κοιτάζοντας τι έχει γίνει, τι έχει δημιουργηθεί και τι θα κάνει η exascale, το μέλλον είναι λαμπρό. Ο Fran Hill, επικεφαλής επιστήμονας για το Πρόγραμμα Εκσυγχρονισμού HPC του Υπουργείου Άμυνας, αναγνώρισε ότι η δουλειά που γίνεται μέσω του ECP είναι μόνο η αρχή των σπουδαίων πραγμάτων που θα ακολουθήσουν. «Δεν μπορούμε να το δούμε αυτό ως το τέλος του ECP, αλλά μάλλον την αρχή της εποχής της exascale. »


Πηγή: Caryn Meissner and Rob Farber, ECP

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *