KAthena高性能便攜式磁流體力學(xué)代碼

進(jìn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面，但它往往需要大量的計(jì)算資源。 隨著我們接近exascale計(jì)算時(shí)代，這將以引入高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)為標(biāo)志，研究人員一直試圖開(kāi)發(fā)新的體系結(jié)構(gòu)和代碼，以滿(mǎn)足我們時(shí)代的巨大計(jì)算需求。 在為exascale計(jì)算時(shí)代開(kāi)發(fā)代碼時(shí)要考慮的一個(gè)重要屬性是性能可移植性，這防止了針對(duì)不同體系結(jié)構(gòu)的代碼的重復(fù)、非平凡重構(gòu)。

為此，密歇根州立大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種性能便攜式磁流體(MHD)代碼K-雅典娜。 磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)碼是能夠幫助解決導(dǎo)電流體問(wèn)題的數(shù)值技術(shù)和算法。 研究人員的代碼在ar Xiv上預(yù)先發(fā)表的一篇論文中提出，將現(xiàn)有的MHD代碼雅典娜與Kokkos結(jié)合起來(lái)，Kokkos是一種性能便攜的節(jié)點(diǎn)并行編程范式。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究員之一Philipp Grete告訴TechXplore說(shuō)：“在開(kāi)發(fā)第一臺(tái)exascale超級(jí)計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，很明顯，目前的硬件架構(gòu)不適合實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，而且需要新的架構(gòu)?！?“從軟件的角度來(lái)看，新的體系結(jié)構(gòu)通常需要對(duì)現(xiàn)有的代碼進(jìn)行重大改寫(xiě)，以便有效地利用新的硬件特性。 我們小組的研究依賴(lài)于詳細(xì)的大規(guī)模模擬，我們希望隨時(shí)準(zhǔn)備使用新的超級(jí)計(jì)算機(jī)，以充分發(fā)揮其潛力，一旦他們成為可用的?！?/p>

格雷特和他的同事進(jìn)行的研究的基本目標(biāo)是使他們?cè)谘芯恐薪?jīng)常使用的代碼可移植。 換句話(huà)說(shuō)，研究人員希望他們的代碼在許多不同的體系結(jié)構(gòu)上以高效率的方式運(yùn)行，使用單一的代碼庫(kù)。

格雷特解釋說(shuō)：“最初，K-雅典娜被計(jì)劃作為概念的證明，將Kokkos（一個(gè)性能可移植性庫(kù)）和Athena(一個(gè)現(xiàn)有的CPU代碼)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)GPU加速的模擬。” “然而，在項(xiàng)目的過(guò)程中，在觀察其性能的同時(shí)，很明顯，K-雅典娜已經(jīng)不僅僅是一個(gè)概念的證明，現(xiàn)在是一個(gè)在任何體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的靈活的、可生產(chǎn)的代碼。 通過(guò)這份文件，我們希望與廣大社會(huì)分享我們的經(jīng)驗(yàn)和守則本身。

K-雅典娜通過(guò)抽象給定模擬中計(jì)算最昂貴的組件來(lái)工作。 在編譯時(shí)(即。 當(dāng)源代碼被轉(zhuǎn)換為機(jī)器/硬件代碼時(shí)，代碼的Kokkos庫(kù)將這些抽象替換為對(duì)用戶(hù)使用的特定機(jī)器或硬件最優(yōu)的構(gòu)造。

Grete說(shuō)：“這種方法不同于其他經(jīng)常維護(hù)多個(gè)代碼庫(kù)的遺留代碼，以便能夠?qū)Σ煌捏w系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，比如CPU或GPU?！?“一般來(lái)說(shuō)，K-雅典娜的主要優(yōu)點(diǎn)是，自然科學(xué)家現(xiàn)在可以專(zhuān)注于模擬內(nèi)容本身，而不需要關(guān)注優(yōu)化代碼和/或?yàn)椴煌捏w系結(jié)構(gòu)編寫(xiě)多個(gè)版本的源代碼。 后者“外包”給在Kokkos工作的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和硬件供應(yīng)商。

由Grete和他的同事進(jìn)行的測(cè)試表明，K-雅典娜的性能可移植性實(shí)際上是有效的。 事實(shí)上，他們的代碼在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)中的第一、第九、第二十四和第三十三位高效運(yùn)行，跨越了四種不同的體系結(jié)構(gòu)。 研究人員還展示了他們的方法的可伸縮性，將其應(yīng)用于幾乎整個(gè)峰會(huì)超級(jí)計(jì)算機(jī)（目前是世界上最快的），就在今年早些時(shí)候正式啟動(dòng)的大約兩個(gè)月后。

格雷特說(shuō)：“從總體上看，我們希望，我們的研究結(jié)果將鼓勵(lì)其他研究小組也探索其代碼中的性能可移植性，最終提高科學(xué)生產(chǎn)力（通過(guò)花更多的時(shí)間在科學(xué)上，而不是重寫(xiě)/優(yōu)化代碼），或者以我們發(fā)布的代碼為基礎(chǔ)?！?/p>

格雷特和他的同事進(jìn)行的研究提供了一個(gè)有價(jià)值的例子，說(shuō)明如何調(diào)整代碼以滿(mǎn)足現(xiàn)代的大計(jì)算要求。 在他們的論文中，研究人員概述了他們的實(shí)施策略和他們?cè)谠噲D最大化計(jì)算性能時(shí)遇到的挑戰(zhàn)。 他們希望他們的經(jīng)驗(yàn)和洞察力將激勵(lì)其他研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始為exascale時(shí)代準(zhǔn)備他們的代碼和架構(gòu)。

格雷特補(bǔ)充說(shuō)：“我們的研究小組普遍對(duì)磁化湍流和擴(kuò)散等離子體感興趣，就像在許多天體物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那樣?！?“我們打算用K-雅典娜來(lái)模擬那些在分辨率和我們可以包括的物理方面前所未有的細(xì)節(jié)。 這將使我們能夠處理需要大動(dòng)態(tài)尺度（例如，空間等離子體中的能量轉(zhuǎn)移)或與小尺度效應(yīng)(例如通過(guò)小尺度發(fā)電機(jī)放大磁場(chǎng)）有關(guān)的尚未解決的問(wèn)題。