運(yùn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個重要方面

運(yùn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個重要方面，但它往往需要大量的計算資源。隨著我們接近exascale計算的時代，其將以高性能超級計算機(jī)的引入為標(biāo)志，研究人員一直在努力開發(fā)新的架構(gòu)和代碼，以滿足我們時代的巨大計算要求。在為exascale計算時代開發(fā)代碼時要考慮的一個重要特性是性能可移植性，這可以防止對不同體系結(jié)構(gòu)的代碼進(jìn)行重復(fù)的，非平凡的重構(gòu)。

為此，密歇根州立大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了K-Athena，一種性能便攜式磁流體動力學(xué)(MHD)代碼。磁流體動力學(xué)(MHD)代碼是數(shù)值技術(shù)和算法，可以幫助解決與導(dǎo)電流體有關(guān)的問題。研究人員的代碼在arXiv上發(fā)表的一篇論文中提出，它將現(xiàn)有的MHD代碼Athena ++與Kokkos結(jié)合在一起，后者是一種性能可移植的節(jié)點并行編程范例。

“在開發(fā)第一臺億億級超級計算機(jī)的過程中，很明顯當(dāng)前的硬件架構(gòu)不適合實現(xiàn)這一目標(biāo)，并且需要新的架構(gòu)，”開展這項研究的研究人員之一Philipp Grete告訴TechXplore。“從軟件的角度來看，新架構(gòu)通常需要對現(xiàn)有代碼進(jìn)行大量重寫，以便有效地利用新的硬件功能。我們小組的研究依賴于詳細(xì)的大規(guī)模模擬，我們希望準(zhǔn)備好使用新的超級計算機(jī)在它們可用的那一刻充分發(fā)揮其潛力。“

Grete和他的同事們進(jìn)行的研究的基本目標(biāo)是制作他們經(jīng)常在研究表現(xiàn)中使用的代碼。換句話說，研究人員希望他們的代碼使用單一代碼庫在許多不同的體系結(jié)構(gòu)上高效運(yùn)行。

“最初，K-Athena計劃將Kokkos(性能可移植性庫)與Athena ++(現(xiàn)有的CPU代碼)相結(jié)合，以實現(xiàn)GPU加速模擬，”Grete解釋道。“但是，在整個項目過程中，在觀察性能時，很明顯K-Athena不僅僅是一個概念驗證，而且現(xiàn)在是一個靈活的，生產(chǎn)就緒的代碼，可以在任何架構(gòu)上運(yùn)行。本文我們希望與更廣泛的社區(qū)分享我們的經(jīng)驗和代碼本身。“

研究人員希望與K-Athena進(jìn)行模擬的另一個例子。該圖像顯示了衰變的泰勒 - 格林渦旋(過渡到湍流問題)的體積渲染，示出了旋渦/旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(表面)和磁場線(紅色)。圖片來源：Grete，Glines和O'Shea。

K-Athena通過抽象給定模擬中計算量最大的組件來工作。在編譯時(即將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器/硬件代碼時)，代碼的Kokkos庫將這些抽象替換為對用戶使用的特定機(jī)器或硬件最佳的構(gòu)造。

“這種方法不同于其他通常維護(hù)多個代碼庫的遺留代碼，以便能夠在不同的體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行仿真，例如CPU或GPU，”Grete說。“一般來說，K-Athena的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，自然科學(xué)家現(xiàn)在可以專注于模擬內(nèi)容本身，而不需要關(guān)注優(yōu)化代碼和/或為不同架構(gòu)編寫多個版本的源代碼。后者是“外包”給與Kokkos一起工作的計算機(jī)科學(xué)家和硬件供應(yīng)商。“

Grete和他的同事們進(jìn)行的測試表明，K-Athena的性能可移植性確實有效。事實上，他們的代碼有效地跑了第一，第九，24 日和33 次躋身在世界上最快的超級計算機(jī)，跨越四個不同的架構(gòu)。研究人員還在今年早些時候正式推出的兩個月后，將其應(yīng)用于幾乎整個Summit超級計算機(jī)(目前是世界上最快的)，展示了他們的方法的可擴(kuò)展性。

“從一般觀點來看，我們希望我們的研究結(jié)果能夠鼓勵其他研究小組在其代碼中探索性能可移植性，最終提高科學(xué)生產(chǎn)力(通過將更多時間花在科學(xué)上而不是重寫/優(yōu)化代碼上)或建立在我們發(fā)布的代碼，“格雷特說。

Grete和他的同事們進(jìn)行的這項研究提供了一個有價值的例子，說明如何調(diào)整代碼以滿足現(xiàn)代時代的大型計算要求。在他們的論文中，研究人員概述了他們的實施策略以及他們在嘗試最大化計算性能時遇到的挑戰(zhàn)。他們希望他們的經(jīng)驗和見解能激勵其他研究團(tuán)隊開始為億億時代準(zhǔn)備他們的代碼和架構(gòu)。

“我們的團(tuán)隊普遍對許多天體物理系統(tǒng)中的磁化湍流和擴(kuò)散等離子體感興趣，”格雷特補(bǔ)充道。“我們打算使用K-Athena來模擬前所未有的細(xì)節(jié)，包括分辨率和我們可以包含的物理特性。這將使我們能夠解決需要大動態(tài)尺度的未解答的問題(例如，關(guān)于空間等離子體中的能量轉(zhuǎn)移)或與小規(guī)模效應(yīng)有關(guān)，例如通過小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行磁場放大。“