Ученые из Стэнфордского центра по изучению турбуленции (Stanford Engineering Center for Turbulence Research, CTR) установили новый рекорд в области суперкомпьютерных вычислений. При расчете гидрогазодинамической математической модели, позволяющей определить уровень шума от работы реактивного двигателя на сверхзвуковой скорости, им удалось задействовать миллион вычислительных ядер второго по мощности в мире суперкомпьютера IBM BlueGene/Q "Sequoia", находящегося в распоряжении Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratories, LLNL) Министерства энергетики США.

Напомним, что суперкомпьютер IBM BlueGene/Q "Sequoia" некоторое время назад занимал первую позицию рейтинга Top-500. Невероятно высокую вычислительную мощность суперкомпьютеру "Sequoia" обеспечивают 1572864 вычислительных ядер его процессоров, память, объемом 1.6 петабайта, и пятимерная круговая коммуникационная магистраль, позволяющая эффективно обмениваться данными между различными узлами суперкомпьютера.

Используя внушительные возможности суперкомпьютера "Sequoia", Джозеф Николс (Joseph Nichols), научный сотрудник центра CTR, сумел создать математическую модель, состоящую из миллиона независимых циклов газогидродинамических расчетов, каждый из которых выполнялся на отдельном вычислительном ядре суперкомпьютера. Расчет математической модели работы реактивного двигателя позволит ученым изучить динамику его реактивного потока и определить основные источники возникновения шумов. Используя эти данные и внеся соответствующие изменения в конструкцию авиационного двигателя, можно будет создавать двигатели, отличающиеся низким уровнем шума.



"Математические модели из области вычислительной газогидродинамики (Computational fluid dynamics, CFD), такие, как создал Джозеф Николс, невероятно сложны" - рассказывает Парвиз Моин (Parviz Moin), директор центра CTR, - "Только недавно, с появлением мощнейших суперкомпьютеров с сотнями тысяч вычислительных ядер, стало возможным рассчитать модели реактивных двигателей и создаваемый ими шум с высокой точностью и приемлемой скоростью расчетов".

Созданная математическая модель реактивного двигателя на всю катушку использует все возможности суперкомпьютера "Sequoia". Звуковые волны, рассчитываемые в процессе моделирования, взаимодействуют и влияют друг на друга, что требует специально рассчитанного баланса между вычислительной мощностью, памятью и коммуникационной магистралью.

"В таких суперкомпьютерах, как "Sequoia", сложные математические вычислительные алгоритмы искусственно дробятся на меньшие части, которые могут быть рассчитаны одновременно. И чем больше ядер имеет в своем распоряжении суперкомпьютер, тем более быстро он может выполнить более сложные расчеты" - рассказывает Парвиз Моин, - "И все же, несмотря на имеющийся резерв вычислительной мощности, мы не смогли использовать весь потенциал суперкомпьютера из-за некоторых проблем, возникающих при использовании огромного количества вычислительных ядер. На уровне использования миллиона ядер некоторые ранее "безвредные" части машинного кода могут внезапно стать узкими местами, снизив эффективность всей системы в целом".

Машинный код, использовавшийся для расчетов математической модели реактивного двигателя, называется CharLES. Он был разработан группой из Стэнфордского университета, возглавляемой старшим научным сотрудником Франком Хэмом (Frank Ham). В основе этого кода лежат неструктурированные циклы, позволяющие моделировать турбулентные потоки в присутствии сложной геометрии элементов конструкции реактивного двигателя. Помимо моделирования уровня шумов, программный пакет CharLES может использоваться для моделирования турбулентных потоков при работе прямоточных реактивных двигателей при полетах на скоростях, в несколько раз превышающих скорость звука.