La potenza del calcolo ad alte prestazioni applicata alle geometrie complesse

A cosa servirebbe un’architettura exascale senza la concezione di metodi di simulazione numerica in grado di realizzarne il potenziale? Quali sono i vantaggi dei sistemi di calcolo potenziati sul piano della concettualizzazione di prodotti industriali come aeroplani o grandi edifici? A questi interrogativi ha tentato di dare una risposta il progetto NUMEXAS che, attraverso nuovi metodi di simulazione, dovrebbe aiutare il settore industriale, i governi e il mondo accademico a risolvere in modo ordinario problemi su vasta scala di carattere multidisciplinario (nel settore ingegneristico e delle scienze applicate) con semplicità ed efficienza.

Come ha spiegato il dott. Pooyan Dadvand, coordinatore del progetto per conto del Centro internazionale di metodi numerici per l’ingegneria (CIMNE) a Barcellona, in Spagna, “NUMEXAS si discosta profondamente da altri progetti sui sistemi exascale finanziati dall’UE”. “Abbiamo tentato di introdurre il calcolo ad alte prestazioni nei problemi del settore industriale concentrandoci sulle interazioni fluido-struttura e sulle geometrie complesse. Per esempio, i risolutori di cui disponevamo ci hanno consentito di simulare le condizioni del vento a Barcellona in un’area di 64x64 km con una risoluzione di 4 m, un risultato privo di precedenti nella storia”.

Diversamente dai risolutori standard, i cui calcoli si basano su geometrie semplici (per esempio un cubo), NUMEXAS introduce un generatore di reticoli non strutturati in grado di gestire geometrie complesse e di creare miliardi di elementi. “Questo aspetto ci consente di avvicinarci sempre di più al settore industriale. Un reticolo strutturato rappresenta una geometria basata sulla combinazione di vari blocchi che possono essere suddivisi in unità più piccole. Tale operazione implica un enorme dispendio di tempo. Per questo motivo, l’iniziativa NUMEXAS utilizza e genera automaticamente reticoli non strutturati, eliminando la necessità di pulire la geometria. Il sistema garantisce inoltre un processo di post-elaborazione dei risultati estremamente efficiente”, ha affermato il dott. Dadvand.

La possibilità di saltare il passaggio della pulizia della geometria ha reso i sistemi HPC più appetibili agli occhi del settore industriale, in virtù della riduzione non solo dei tempi di calcolo (solitamente quantificabili in una settimana) a circa 10 minuti, ma anche dei tempi di pulizia di geometrie così grandi, che richiede due mesi. Un altro obiettivo sul quale il team NUMEXAS sta attualmente lavorando consiste nella riduzione del tempo necessario per scaricare i risultati.

A livello industriale, le nuove tecnologie potrebbero contribuire alla risoluzione dei problemi termomeccanici che caratterizzano le fasi produttive, mentre, a livello istituzionale, i sistemi di simulazione dei flussi di inquinamento nelle città consentirebbero di avere un’idea chiara degli effetti di ciascuna fonte di inquinamento.

“Sono certo che questa simulazione sia qualcosa di fattibile, che richiederebbe soltanto l’aggiunta di alcuni modelli per la misurazione dell’interazione con l’aria o gli agenti chimici”, ha affermato il dott. Dadvand. I risultati dell’iniziativa potrebbero avvantaggiare anche il settore del cloud computing, dove sono già stati avviati dibattiti informali.

Un processo di miglioramento continuo

A pochi mesi dalla chiusura delle attività progettuali, il gruppo di lavoro si sta concentrando sulla finalizzazione dei casi di prova. “Abbiamo anche concepito un pacchetto di lavoro per l’ottimizzazione del codice scritto finora – ha sottolineato il dott. Dadvand – e stiamo tentando di garantire un miglioramento delle prestazioni, nonché della gestione della memoria.” Il risolutore creato nell’ambito del progetto NUMEXAS è stato anche adattato a oggetti in movimento.

La possibilità di scaricare gratuitamente il kernel NUMEXAS (KRATOS Multi-physics), che rappresenta un codice molto largo basato su numerose nozioni fisiche, consente già al mondo accademico di fruire dei risultati del progetto. È stato inoltre aperto un canale di comunicazione con il settore industriale in vista dell’organizzazione di progetti di collaborazione. “Ritengo che il settore industriale non sia ancora pronto ad adottare tecnologie exascale nell’immediato, ma ci siamo accorti che le complessità con le quali si sta già misurando richiedono l’utilizzo di macchine di grandi dimensioni. L’obiettivo che ci prefiggiamo è aiutare l’industria ad avvicinarsi almeno al sistema petascale. Sebbene non siano ancora in grado di integrare le nostre tecnologie nelle loro operazioni, puntiamo a lanciare un progetto di follow-up di NUMEXAS per mettere in pratica queste idee”, ha spiegato il dott. Dadvand.

Il dott. Dadvand ha preferito non sbilanciarsi circa l’eventuale immissione nel mercato dei prodotti sviluppati. “Ci vorranno almeno due anni per trasformare i prototipi in prodotti reali. Sebbene il generatore di reticoli sia già stato finalizzato nel primo anno del progetto, la commercializzazione dell’intero sistema richiederà ancora del tempo”.