Posibilitar la supercomputación para las simulaciones de fluidos
La informática de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés) permite simular con precisión procesos físicos sin tener que llevar a cabo experimentos caros y laboriosos. Uno de sus principales beneficiarios es el campo de la dinámica de fluidos computacional (DFC), en el que los modelos que predicen la transferencia de calor y masa en fluidos se emplean para diseñar aplicaciones para diferentes sectores, desde el aeroespacial hasta la medicina. «La DFC es ya una tecnología madura, por lo que su desarrollo depende de que se aprovechen de forma más eficaz las oportunidades que ofrece la HPC», explica Fred Mendonça, del Grupo ESI e investigador principal del proyecto exaFOAM. En el proyecto se logró aumentar el rendimiento de OpenFOAM, un programa muy popular para flujos de trabajo de DFC, mejorando su capacidad para capitalizar la potencia de la HPC en toda la cadena de procesos. Al aumentar la comprensión de áreas como la mecánica de sólidos, la aerodinámica y la transferencia de calor, OpenFOAM optimiza el diseño de productos en los sectores aeroespacial, biomédico, energético, automovilístico, entre otros. «La ingeniería virtual se basa en la combinación de la potencia de procesamiento de la HPC con la versatilidad de las técnicas de inteligencia artificial. Nuestro trabajo, independiente de cualquier plataforma o chip concreto, permite efectuar la gran cantidad de cálculos necesarios para entrenar los algoritmos subyacentes a estas técnicas de vanguardia», agrega Mendonça.
Cuellos de botella de la información
Durante el proceso informático, que requiere mucho tiempo, los usuarios dependen de la recepción de información intermedia para evaluar el progreso. Este intercambio de datos (E/S) puede convertirse en un cuello de botella, sobre todo si la unidad de procesamiento se detiene hasta que finaliza el intercambio de datos. El proyecto utilizó programas de código abierto, como ADIOS-2, para mantener un acceso eficiente a los archivos de E/S mientras se ejecutaba en un gran número de núcleos de unidades centrales de procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés). Como resultado, OpenFOAM se ejecutó satisfactoriamente en el superordenador Hawk de HLRS, donde se desplegó en 500 000 núcleos, por lo que el proyecto recibió el Premio a la Excelencia en Innovación Tecnológica en HPC. «Hasta donde sabemos, este es el mayor número de núcleos jamás empleados en una simulación de OpenFOAM», comenta Mendonça. Como complemento a estas mejoras, en 2023, el lanzamiento de OpenFOAM incluyó las herramientas de creación de perfiles de exaFOAM, que identifican los cuellos de botella del procesamiento.
Código heredado
En el proyecto también se mejoró el código de OpenFOAM para que pudiera ejecutarse en nuevas arquitecturas de chip de CPU y unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés). El principal reto que hubo que superar fue que el código heredado de la CPU (como C++) no tenía por qué funcionar en las GPU más potentes. El equipo desarrolló una solución para que una parte del código de la CPU —conocida como el solucionador lineal— pasara de la CPU a la GPU. También se empezó a trabajar para que el código heredado de la CPU se pueda ejecutar directamente en la GPU con aceleradores convencionales (OpenMP). Aunque las soluciones de E/S y GPU aumentaron el rendimiento, el equipo modificó también algunos de los algoritmos de exaFOAM para obtener más mejoras y reducir los cuellos de botella en las comunicaciones del código. «En conjunto, estos planteamientos multiplicaron por diez el rendimiento de OpenFOAM», observa Mendonça.
Aplicaciones industriales
El proyecto presentó varias pruebas comparativas de rendimiento de HPC (aplicaciones industriales y grandes retos) y las puso a disposición del público. «Hemos seleccionado ejemplos cotidianos, en diversos sectores, fundamentales para aspectos como, por ejemplo, la mejora del diseño y el rendimiento de los equipos, la eficiencia en el consumo de combustible para la rentabilidad, la garantía de la seguridad y el confort públicos y la reducción del impacto ambiental», explica Mendonça. Entre los retos específicos de la industria figuran: reducir la resistencia aerodinámica de los vehículos para aumentar su autonomía y optimizar la ubicación de las turbinas en los parques eólicos para aumentar la generación de energía. El resultado fueron diecinueve casos de evaluación. El equipo del proyecto se ha asociado ahora con el proyecto financiado con fondos europeos EXASIM, que comparte el objetivo de posibilitar la simulación de DFC a exaescala utilizando OpenFOAM.
Palabras clave
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