Skalierbare hybrid-adaptive Gitterverfeinerung und Ende-zu-Ende-Simulation (Hybride MR-Simulationen)

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Burstedde; Dr. Johannes Holke
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467255783

Das hiermit vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt auf die theoretische Konzeption und praktische Entwicklung skalierbarer paralleler Algorithmen zur adaptiven Gitterverfeinerung, -partitionierung und -traversierung (engl. AMR) mit einem Anwendungsfokus auf die Erdsystemsimulation. In letzter Zeit hat sich gezeigt, dass baumbasierte, dynamische AMR-Algorithmen höchst skalierbar und produktiv in anspruchsvollen wissenschaftlichen Simulationen eingesetzt werden können und einen wesentlichen Vorteil im Hinblick auf das Verhältnis von Genauigkeit zu Aufwand ausmachen. In drei Dimensionen galt dies jedoch bislang nur für würfelförmige Elemente. In unserer bisherigen Forschungsarbeit haben wir entsprechende neue Methoden für alle wesentlichen nicht-kubischen Formen, d.h. Tetraeder, Prismen und Pyramiden vorgestellt und in der freien Softwarebibliothek "t8code'' implementiert. Für diese konnten wir parallele Skalierbarkeit auf bis zu 917k Prozessen und bis zu 1.1e12 Elementen nachweisen. Aktuell kooperieren wir mit Anwendern aus der Erdsystemmodellierung, die sich durch effiziente Adaptivität wesentlich beschleunigen lässt.Wir verfolgen mit diesem Antrag zwei Ziele. Zum Ersten planen wir, den nötigen Satz zentraler AMR-Algorithmen zu vervollständigen und deren Skalierbarkeit in ihrer Gesamtheit sicherzustellen. Insbesondere denken wir hier an global parallele Gittersuchalgorithmen und eine leistungsfähige 2:1-Balance-Methode und werden auch die parallele Eingabe und Ausgabe (I/O) einbeziehen. Zum Zweiten möchten wir ein minimales und stimmiges, gleichzeitig real nutzbares Anwendungsinterface (API) definieren und mit existierender Simulationssoftware koppeln. Dies beinhaltet einerseits einen Algorithmus zur kommunikationsfreien Gitteriteration und effizienten Zuweisung von Freiheitsgraden, andererseits eine Anbindung an die wohlbekannte PETSc-Software zur Unterstützung verfügbarer Diskretisierungen und Löser.Über die reine Forschung an Gitteralgorithmen und ihre Implementierung hinaus werden wir eine eigene Simulationsanwendung im Kontext der MESSy-Softwareumgebung erstellen, die in der Erdsystemmodellierung und -Simulation verbreitet ist. Hierzu werden wir auch einzelne Gitteralgorithmen in MESSy transparent durch beschleunigte t8code-basierte Varianten austauschen. Wir beabsichtigen, sowohl die einzelnen Algorithmen als auch die Simulationsanwendung zur vollen Systemgröße des "Juwels''-Großrechners am Jülich Supercomputing Center hochzuskalieren.Unsere geplante Forschungsarbeit wird es ermöglichen, dynamisch-adaptive numerische Simulationen über beliebigen Elementformen zu konzipieren und auf Großrechnern performant einzusetzen. Durch die Integration von t8code als grundlegende Gitterschnittstelle profitiert der gesamte weitere Simulationsablauf von wesentlich verbesserter Skalierbarkeit bei gleichzeitig reduziertem Speicherbedarf, von effizienten Gitterabfragen und insgesamt stark verkürzter Laufzeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Achim Basermann