Un ejemplo de las simulaciones que a los investigadores les gustaría realizar con K-Athena. La imagen muestra un corte a través de una caja tridimensional de una simulación de turbulencia impulsada que ilustra la densidad del fluido / plasma. Crédito:Grete, Glines y O’Shea.
La ejecución de simulaciones a gran escala es un aspecto crucial de la investigación científica moderna, sin embargo, a menudo requiere una gran cantidad de recursos computacionales. A medida que nos acercamos a la era de la computación a exaescala, que estará marcado por la introducción de supercomputadoras de alto rendimiento, Los investigadores han estado tratando de desarrollar nuevas arquitecturas y códigos para cumplir con los enormes requisitos computacionales de nuestro tiempo. Una propiedad importante a considerar al desarrollar códigos para la era de la computación a exaescala es la portabilidad del desempeño, que evita lo repetido, Refactorización no trivial de un código para diferentes arquitecturas.
Para tal fin, investigadores de la Universidad Estatal de Michigan han desarrollado recientemente K-Athena, un código magnetohidrodinámico (MHD) portátil de rendimiento. Los códigos de magnetohidrodinámica (MHD) son técnicas numéricas y algoritmos que pueden ayudar a resolver problemas relacionados con fluidos conductores de electricidad. El código de los investigadores, presentado en un artículo publicado previamente en arXiv, combina Athena ++, un código MHD existente, con Kokkos, un paradigma de programación en paralelo portátil de rendimiento en el nodo.
"En el proceso continuo de desarrollo de las primeras supercomputadoras de exaescala, quedó claro que las arquitecturas de hardware actuales no son adecuadas para alcanzar este objetivo y que se requieren nuevas arquitecturas, "Philipp Grete, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "Desde el punto de vista del software, Las nuevas arquitecturas generalmente requieren una reescritura significativa del código existente para hacer un uso eficiente de las nuevas características del hardware. La investigación de nuestro grupo se basa en simulaciones detalladas a gran escala y queremos estar preparados para utilizar las nuevas supercomputadoras en todo su potencial en el momento en que estén disponibles ".
El objetivo subyacente del estudio llevado a cabo por Grete y sus colegas era hacer portátiles los códigos que a menudo utilizan en sus investigaciones. En otras palabras, los investigadores querían que sus códigos se ejecutaran con alta eficiencia en muchas arquitecturas diferentes, utilizando una única base de código.
"Originalmente, K-Athena se planeó como una prueba de concepto que combina Kokkos (una biblioteca de portabilidad de rendimiento) con Athena ++ (un código de CPU existente) para permitir simulaciones aceleradas por GPU, "Grete explicó." Sin embargo, en el transcurso del proyecto y mientras observaba la actuación, quedó claro que K-Athena se convirtió en más que una prueba de concepto y ahora es un flexible, código listo para producción que se ejecuta en cualquier arquitectura. Con este papel, queríamos compartir nuestra experiencia y el código en sí con la comunidad en general ".
Otro ejemplo de las simulaciones que a los investigadores les gustaría realizar con K-Athena. La imagen muestra una representación de volumen de un vórtice Taylor-Green en descomposición (problema de transición a turbulencia) que ilustra estructuras (superficies) de vórtice / rotación y líneas de campo magnético (rojo). Crédito:Grete, Glines y O’Shea.
K-Athena funciona abstrayendo los componentes computacionalmente más costosos de una simulación dada. En el momento de la compilación (es decir, cuando un código fuente se traduce en código de máquina / hardware), La biblioteca Kokkos del código reemplaza estas abstracciones con construcciones que son óptimas para la máquina o el hardware específico empleado por el usuario.
"Este enfoque es diferente de otros códigos heredados que a menudo mantienen múltiples bases de código para permitir simulaciones en diferentes arquitecturas, como CPU o GPU, "Grete dijo." En términos generales, La ventaja clave de K-Athena es que el científico natural ahora puede centrarse en el contenido de la simulación en sí mismo y no necesita preocuparse por optimizar el código y / o escribir versiones múltiples del código fuente para diferentes arquitecturas. Este último se 'subcontrata' a los científicos informáticos que trabajan en Kokkos junto con los proveedores de hardware ".
Las pruebas realizadas por Grete y sus colegas sugieren que la portabilidad del rendimiento de K-Athena realmente funciona. De hecho, su código se ejecutó de manera eficiente en el primero, noveno, 24 th y 33 rd entre las supercomputadoras más rápidas del mundo, que abarca cuatro arquitecturas diferentes. Los investigadores también demostraron la escalabilidad de su enfoque aplicándolo a prácticamente toda la supercomputadora Summit (actualmente la más rápida del mundo), casi dos meses después de su lanzamiento oficial a principios de este año.
"Desde un punto de vista general, Esperamos que nuestros hallazgos animen a otros grupos de investigación a explorar también la portabilidad del rendimiento en sus códigos, lo que eventualmente aumentará la productividad científica (al dedicar más tiempo a la ciencia y menos a reescribir / optimizar el código) o construir sobre el código que publicamos. "Dijo Grete.
El estudio realizado por Grete y sus colegas ofrece un valioso ejemplo de cómo se puede adaptar el código para cumplir con los grandes requisitos computacionales de la era moderna. En su papel los investigadores describen sus estrategias de implementación y los desafíos que encontraron al tratar de maximizar el rendimiento computacional. Esperan que su experiencia y conocimiento inspiren a otros equipos de investigación a comenzar a preparar sus códigos y arquitectura para la era de la exaescala.
"Nuestro grupo está interesado en general en la turbulencia magnetizada y los plasmas difusos que se encuentran en muchos sistemas astrofísicos, "Añadió Grete." Tenemos la intención de utilizar K-Athena para simularlos con un detalle sin precedentes, tanto con respecto a la resolución como a la física que podemos incluir. Esto nos permitirá abordar preguntas sin respuesta que requieren grandes escalas dinámicas (por ejemplo, con respecto a las transferencias de energía en los plasmas espaciales) o relacionados con efectos a pequeña escala, como la amplificación del campo magnético a través de la dinamo a pequeña escala ".
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