Una versión moderna de Fortran acelerada por GPU del código ECHO para magnetohidrodinámica relativista
Autores: Del Zanna, Luca; Landi, Simone; Serafini, Lorenzo; Bugli, Matteo; Papini, Emanuele
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Una versión moderna de Fortran acelerada por GPU del código ECHO para magnetohidrodinámica relativista
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Estudio numérico
Magnetohidrodinámica relativista
Plataformas basadas en GPU
Código ECHO
Dispositivos acelerados
Simulación de alta resolución
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
El estudio numérico de la magnetohidrodinámica relativista (MHD) juega un papel crucial en la astrofísica de alta energía, pero desafortunadamente es computacionalmente exigente, dada la compleja física involucrada (flujos de alto factor de Lorentz, magnetización extrema y espacios curvados cerca de objetos compactos) y la gran variedad de escalas espaciales necesarias para resolver los movimientos turbulentos. Un gran beneficio proviene de la adaptación de códigos existentes que funcionan en procesadores estándar a plataformas basadas en GPU. Sin embargo, esto generalmente requiere una reescritura drástica del código original, el uso de lenguajes específicos como CUDA y un análisis complejo de la gestión de datos y la optimización de procesos paralelos. Aquí, describimos la adaptación del código ECHO para MHD relativista especial y general a dispositivos acelerados, simplemente basado en construcciones integradas del lenguaje Fortran nativo, especialmente bucles do concurrentes, algunas directivas de OpenACC y una gestión de datos sencilla proporcionada por la opción de Memoria Unificada de los compiladores de NVIDIA. Gracias a estas modificaciones muy menores al código original, la nueva versión de ECHO se ejecuta al menos 16 veces más rápido en plataformas GPU en comparación con las basadas en CPU. El banco de pruebas elegido es la propagación 3D de una onda Alfvén MHD relativista, para la cual se proporcionan pruebas de escalado fuerte y débil realizadas en el superordenador pre-exascale LEONARDO en CINECA (utilizando hasta 256 nodos correspondientes a 1024 GPUs y más de 14 mil millones de celdas). Finalmente, se muestra un ejemplo de simulación de turbulencia Alfvénica MHD relativista de alta resolución, demostrando el potencial para plasmas astrofísicos de la nueva versión basada en GPU de ECHO.
Descripción
El estudio numérico de la magnetohidrodinámica relativista (MHD) juega un papel crucial en la astrofísica de alta energía, pero desafortunadamente es computacionalmente exigente, dada la compleja física involucrada (flujos de alto factor de Lorentz, magnetización extrema y espacios curvados cerca de objetos compactos) y la gran variedad de escalas espaciales necesarias para resolver los movimientos turbulentos. Un gran beneficio proviene de la adaptación de códigos existentes que funcionan en procesadores estándar a plataformas basadas en GPU. Sin embargo, esto generalmente requiere una reescritura drástica del código original, el uso de lenguajes específicos como CUDA y un análisis complejo de la gestión de datos y la optimización de procesos paralelos. Aquí, describimos la adaptación del código ECHO para MHD relativista especial y general a dispositivos acelerados, simplemente basado en construcciones integradas del lenguaje Fortran nativo, especialmente bucles do concurrentes, algunas directivas de OpenACC y una gestión de datos sencilla proporcionada por la opción de Memoria Unificada de los compiladores de NVIDIA. Gracias a estas modificaciones muy menores al código original, la nueva versión de ECHO se ejecuta al menos 16 veces más rápido en plataformas GPU en comparación con las basadas en CPU. El banco de pruebas elegido es la propagación 3D de una onda Alfvén MHD relativista, para la cual se proporcionan pruebas de escalado fuerte y débil realizadas en el superordenador pre-exascale LEONARDO en CINECA (utilizando hasta 256 nodos correspondientes a 1024 GPUs y más de 14 mil millones de celdas). Finalmente, se muestra un ejemplo de simulación de turbulencia Alfvénica MHD relativista de alta resolución, demostrando el potencial para plasmas astrofísicos de la nueva versión basada en GPU de ECHO.