Симуляция галактик выполнится на экзафлопсном суперкомпьютере

В нынешнем году планируется введение в строй самого производительного в мире суперкомпьютера Frontier. И среди первых запланированных для него задач – астрофизические исследования.

Проект Frontier реализуется в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) в США. Ожидается, что производительность этой платформы превысит 1 exaFLOPS. При знакомстве с релизом, посвященному этой событию, меня впечатлил тот факт, что ученые взялись за такой масштабный проект, как симуляция галактик. Для этого используется программное обеспечение CHOLLA, которое анализирует изменения газа, гравитации, темной материи и т.д., чтобы определить, как формируются галактики. Аббревиатура CHOLLA происходит от названия "Computational Hydrodynamics on Parallel Architecture" (Вычислительная гидродинамика на параллельной архитектуре), что подразумевает ее использование в системах с вычислительными GPU-ускорителями. Цель проекта — смоделировать изменения в галактике, похожей на Млечный Путь, с достаточно высоким разрешением, чтобы отображать образование, эволюцию и гибель отдельных звезд.

«Графические процессоры хороши для решения локальных задач с массовым параллелизмом», –  объясняет Эван Шнайдер (Evan Schneider), доцент кафедры физики и астрономии Питтсбургского университета и один из главных архитекторов CHOLLA. «Основная проблема вычислительной астрофизики –   проблема масштаба. Общая картина эволюции галактики, подобной Млечному Пути, зависит от процессов, происходящих в очень мелком масштабе. Чтобы понять, как это развивается с течением времени, нам нужно учитывать образование звезд и взрыв сверхновой в галактике, и эти взрывы происходят в гораздо меньших масштабах, чем вся галактика. Одна из вещей, которые мы хотели бы сделать, - это моделировать с более высоким разрешением».

«Если у вас недостаточно разрешения, вам просто нужно скрыть звездообразование», - говорит Рубен Будиарджа (Reuben Budiardja), ученый-вычислитель из ORNL. «Если мы хотим смоделировать Млечный Путь, его диаметр составляет около 50 000 парсек. Тогда обычно звездные скопления имеют диаметр в несколько парсеков. Если разделить эти два числа, то получится около 10 000 ячеек. Тогда у вас есть три измерения, поэтому 10000 кубов - это общее количество ячеек в вычислительной области. Итак, теперь мы пытаемся развить 10000 кубических ячеек за 500 миллионов лет эволюции, чтобы сформировалась вся галактика. Наш временной шаг равен одному килогоду, что дает вам миллион общих временных шагов. Тогда возникает вопрос, как быстро вы можете сделать один временной шаг, чтобы обновить около 10 000 кубических ячеек? Это дает вам представление о том, сколько времени потребуется для симуляции».

Сообщается, что ПО  CHOLLA было портировано с CUDA на HIP для выполнения на GPU от AMD. Причем это оказалось достаточно простой задачей. «Большую часть переноса на HIP для работы на оборудовании AMD мы сделали за несколько часов», - говорит Рубен Будиарджа. «С AMD Radeon Instinct MI50 мы имеем относительно аналогичную производительность с NVIDIA Tesla V100. С AMD Instinct MI100 мы реализовали примерно 1,4-кратное ускорение без каких-либо действий. Мы просто перешли на компиляцию в ROCm, чтобы запустить код. В HIP есть много преимуществ при использовании аналогичных вызовов функций. Если вы уже знакомы с CUDA, вы можете взглянуть на функцию HIP и понять, что она делает».

Рубен Будиарджа ожидает, что благодаря приросту производительности, которая будет обеспечена в графических процессорах AMD следующего поколения в Frontier, необходимый масштаб для CHOLLA будет вполне достижимым. «Возвращаясь к исходной задаче с 10 000 кубических ячеек галактики Млечный Путь, мы очень оптимистичны, что сможем сделать это, когда Frontier будет готов», - говорит он. «Сейчас мы даже изучаем возможности для запуска чего-то большего. Это будет первая симуляция подобного масштаба галактики, подобной Млечному Пути. Будет беспрецедентно иметь возможность запускать моделирование такого размера с таким разрешением и со всей физикой, требующейся для необходимой нам точности».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365