運(yùn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)重要方面

運(yùn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)重要方面，但它往往需要大量的計(jì)算資源。隨著我們接近exascale計(jì)算的時(shí)代，其將以高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)的引入為標(biāo)志，研究人員一直在努力開發(fā)新的架構(gòu)和代碼，以滿足我們時(shí)代的巨大計(jì)算要求。在為exascale計(jì)算時(shí)代開發(fā)代碼時(shí)要考慮的一個(gè)重要特性是性能可移植性，這可以防止對(duì)不同體系結(jié)構(gòu)的代碼進(jìn)行重復(fù)的，非平凡的重構(gòu)。

為此，密歇根州立大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了K-Athena，一種性能便攜式磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)代碼。磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)代碼是數(shù)值技術(shù)和算法，可以幫助解決與導(dǎo)電流體有關(guān)的問題。研究人員的代碼在arXiv上發(fā)表的一篇論文中提出，它將現(xiàn)有的MHD代碼Athena ++與Kokkos結(jié)合在一起，后者是一種性能可移植的節(jié)點(diǎn)并行編程范例。

“在開發(fā)第一臺(tái)億億級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的過程中，很明顯當(dāng)前的硬件架構(gòu)不適合實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并且需要新的架構(gòu)，”開展這項(xiàng)研究的研究人員之一Philipp Grete告訴TechXplore。“從軟件的角度來看，新架構(gòu)通常需要對(duì)現(xiàn)有代碼進(jìn)行大量重寫，以便有效地利用新的硬件功能。我們小組的研究依賴于詳細(xì)的大規(guī)模模擬，我們希望準(zhǔn)備好使用新的超級(jí)計(jì)算機(jī)在它們可用的那一刻充分發(fā)揮其潛力。“

Grete和他的同事們進(jìn)行的研究的基本目標(biāo)是制作他們經(jīng)常在研究表現(xiàn)中使用的代碼。換句話說，研究人員希望他們的代碼使用單一代碼庫在許多不同的體系結(jié)構(gòu)上高效運(yùn)行。

“最初，K-Athena計(jì)劃將Kokkos(性能可移植性庫)與Athena ++(現(xiàn)有的CPU代碼)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)GPU加速模擬，”Grete解釋道。“但是，在整個(gè)項(xiàng)目過程中，在觀察性能時(shí)，很明顯K-Athena不僅僅是一個(gè)概念驗(yàn)證，而且現(xiàn)在是一個(gè)靈活的，生產(chǎn)就緒的代碼，可以在任何架構(gòu)上運(yùn)行。本文我們希望與更廣泛的社區(qū)分享我們的經(jīng)驗(yàn)和代碼本身。“

研究人員希望與K-Athena進(jìn)行模擬的另一個(gè)例子。該圖像顯示了衰變的泰勒 - 格林渦旋(過渡到湍流問題)的體積渲染，示出了旋渦/旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(表面)和磁場(chǎng)線(紅色)。圖片來源：Grete，Glines和O'Shea。

K-Athena通過抽象給定模擬中計(jì)算量最大的組件來工作。在編譯時(shí)(即將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器/硬件代碼時(shí))，代碼的Kokkos庫將這些抽象替換為對(duì)用戶使用的特定機(jī)器或硬件最佳的構(gòu)造。

“這種方法不同于其他通常維護(hù)多個(gè)代碼庫的遺留代碼，以便能夠在不同的體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行仿真，例如CPU或GPU，”Grete說。“一般來說，K-Athena的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，自然科學(xué)家現(xiàn)在可以專注于模擬內(nèi)容本身，而不需要關(guān)注優(yōu)化代碼和/或?yàn)椴煌軜?gòu)編寫多個(gè)版本的源代碼。后者是“外包”給與Kokkos一起工作的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和硬件供應(yīng)商。“

Grete和他的同事們進(jìn)行的測(cè)試表明，K-Athena的性能可移植性確實(shí)有效。事實(shí)上，他們的代碼有效地跑了第一，第九，24 日和33 次躋身在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，跨越四個(gè)不同的架構(gòu)。研究人員還在今年早些時(shí)候正式推出的兩個(gè)月后，將其應(yīng)用于幾乎整個(gè)Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)(目前是世界上最快的)，展示了他們的方法的可擴(kuò)展性。

“從一般觀點(diǎn)來看，我們希望我們的研究結(jié)果能夠鼓勵(lì)其他研究小組在其代碼中探索性能可移植性，最終提高科學(xué)生產(chǎn)力(通過將更多時(shí)間花在科學(xué)上而不是重寫/優(yōu)化代碼上)或建立在我們發(fā)布的代碼，“格雷特說。

Grete和他的同事們進(jìn)行的這項(xiàng)研究提供了一個(gè)有價(jià)值的例子，說明如何調(diào)整代碼以滿足現(xiàn)代時(shí)代的大型計(jì)算要求。在他們的論文中，研究人員概述了他們的實(shí)施策略以及他們?cè)趪L試最大化計(jì)算性能時(shí)遇到的挑戰(zhàn)。他們希望他們的經(jīng)驗(yàn)和見解能激勵(lì)其他研究團(tuán)隊(duì)開始為億億時(shí)代準(zhǔn)備他們的代碼和架構(gòu)。

“我們的團(tuán)隊(duì)普遍對(duì)許多天體物理系統(tǒng)中的磁化湍流和擴(kuò)散等離子體感興趣，”格雷特補(bǔ)充道。“我們打算使用K-Athena來模擬前所未有的細(xì)節(jié)，包括分辨率和我們可以包含的物理特性。這將使我們能夠解決需要大動(dòng)態(tài)尺度的未解答的問題(例如，關(guān)于空間等離子體中的能量轉(zhuǎn)移)或與小規(guī)模效應(yīng)有關(guān)，例如通過小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)放大。“