Performance-optimiertes Co-Design von Ozeanmodellierungssoftware auf FPGAs

• Antragsteller: Professor Dr. Vadym Aizinger; Dr. Roberto Grosso; Dr. Tobias Kenter
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Mathematik ; Physik, Chemie und Biologie des Meeres
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502500606

Moderne Hochwasser-, Wetter- und Klimavorhersagemodelle stützen sich auf hochentwickelte numerische Methoden und eine immer höhere räumliche und zeitliche Auflösung, um genauere und physikalisch umfassendere Simulationen zu liefern. Auch eine detailliertere Physik und komplexere numerische Schemata, die Effekte unterhalb der Gitterdarstellung besser auflösen sind besonders wichtig. Die Ausführung hochauflösender Modelle auf Gebieten von der Größe des ganzen Planeten oder auch nur einer Region stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Rechen- und Energieeffizienz von Modellcodes auf modernen und künftigen parallelen und hybriden Architekturen. Insbesondere HPC Systeme mit energieeffizienten FPGA-Beschleunigern und speziellen datenflussorientierten Ausführungsmodellen bieten besonderes Potenzial, aber erfordern auch ganz neue Ansätze für die Softwareentwicklung von Erdsystemmodellen.Im Rahmen dieses Projekts wollen wir den Stand der Technik wesentlich voranbringen, indem wir mehrere innovative Methoden aus den Bereichen Informatik, numerische Algorithmen und Gittergenerierung in einem umfassenden Software/Hardware-Co-Design-Konzept kombinieren, um bisher unerreichte Rechenleistung und Energieeffizienz zu erzielen. Die vorgeschlagene Arbeit nutzt in hohem Maße die Techniken und Werkzeuge, die im Rahmen der bestehenden Kooperationen, einerseits zwischen Prof. Aizinger und Dr. Grosso und andererseits zwischen Dr. Kenter and Prof. Aizinger, entwickelt wurden.Die Anwendung, die im Mittelpunkt des Projekts steht, ist ein Ozeanmodell, das eine Reihe von wichtigen physikalischen, mathematischen und numerischen Aspekten für geophysikalische und klimatische Anwendungen kombiniert. Dazu gehören sehr große, geometrisch komplexe Gebiete, die numerische Methoden mit hoher Genauigkeit erfordern, lokale Erhaltung wichtiger physikalischer Größen, geringe numerische Diffusion, Unterstützung von unstrukturierten Netzen und gute Parallelisierungseigenschaften. Die Hauptkomponenten des vorgeschlagenen Projekts sind: Ein FPGA-optimierter diskontinuierlicher Galerkin (DG)-Löser auf der Basis des UTBEST-Codes, blockstrukturierte Gitter mit einer angepassten Kombination aus strukturierten und unstrukturierten Blöcken -- eine Weiterentwicklung einer erstmals in DFG GR 1107/3-1 vorgestellten Methodik, und ein Datenfluss-FPGA-Design unter Verwendung von OpenCL und optimiert für solche kombinierten Blockgitter.Die entwickelten Methoden und Techniken werden in Form eines Technologie-Demonstrators (open access) implementiert und auf realistische Überflutungsszenarien auf einem hochauflösenden Gitter angewendet. Über den konkreten Demonstator hinaus stellt ein Erfolg dieser integrativen, interdisziplinären Arbeit unserer Meinung nach einen erheblichen methodischen Mehrwert dar, der im Anschluss ehrgeizigere Projekte in diesem und verwandten Bereichen prägen kann, und stellt auch die institutionellen Grundlagen für Beteiligung in solchen Projekte her.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Sven Harig; Professor Dr.-Ing. Harald Köstler; Professor Dr. Christian Plessl