KAthena高性能便攜式磁流體力學(xué)代碼

進(jìn)行大規(guī)模模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面，但它往往需要大量的計(jì)算資源。 隨著我們接近exascale計(jì)算時(shí)代，這將以引入高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)為標(biāo)志，研究人員一直試圖開發(fā)新的體系結(jié)構(gòu)和代碼，以滿足我們時(shí)代的巨大計(jì)算需求。 在為exascale計(jì)算時(shí)代開發(fā)代碼時(shí)要考慮的一個(gè)重要屬性是性能可移植性，這防止了針對不同體系結(jié)構(gòu)的代碼的重復(fù)、非平凡重構(gòu)。

為此，密歇根州立大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種性能便攜式磁流體(MHD)代碼K-雅典娜。 磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)碼是能夠幫助解決導(dǎo)電流體問題的數(shù)值技術(shù)和算法。 研究人員的代碼在ar Xiv上預(yù)先發(fā)表的一篇論文中提出，將現(xiàn)有的MHD代碼雅典娜與Kokkos結(jié)合起來，Kokkos是一種性能便攜的節(jié)點(diǎn)并行編程范式。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究員之一Philipp Grete告訴TechXplore說：“在開發(fā)第一臺(tái)exascale超級(jí)計(jì)算機(jī)的過程中，很明顯，目前的硬件架構(gòu)不適合實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，而且需要新的架構(gòu)?！?“從軟件的角度來看，新的體系結(jié)構(gòu)通常需要對現(xiàn)有的代碼進(jìn)行重大改寫，以便有效地利用新的硬件特性。 我們小組的研究依賴于詳細(xì)的大規(guī)模模擬，我們希望隨時(shí)準(zhǔn)備使用新的超級(jí)計(jì)算機(jī)，以充分發(fā)揮其潛力，一旦他們成為可用的。”

格雷特和他的同事進(jìn)行的研究的基本目標(biāo)是使他們在研究中經(jīng)常使用的代碼可移植。 換句話說，研究人員希望他們的代碼在許多不同的體系結(jié)構(gòu)上以高效率的方式運(yùn)行，使用單一的代碼庫。

格雷特解釋說：“最初，K-雅典娜被計(jì)劃作為概念的證明，將Kokkos（一個(gè)性能可移植性庫）和Athena(一個(gè)現(xiàn)有的CPU代碼)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)GPU加速的模擬?！?“然而，在項(xiàng)目的過程中，在觀察其性能的同時(shí)，很明顯，K-雅典娜已經(jīng)不僅僅是一個(gè)概念的證明，現(xiàn)在是一個(gè)在任何體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的靈活的、可生產(chǎn)的代碼。 通過這份文件，我們希望與廣大社會(huì)分享我們的經(jīng)驗(yàn)和守則本身。

K-雅典娜通過抽象給定模擬中計(jì)算最昂貴的組件來工作。 在編譯時(shí)(即。 當(dāng)源代碼被轉(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用戶使用的特定機(jī)器或硬件最優(yōu)的構(gòu)造。

Grete說：“這種方法不同于其他經(jīng)常維護(hù)多個(gè)代碼庫的遺留代碼，以便能夠?qū)Σ煌捏w系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，比如CPU或GPU?！?“一般來說，K-雅典娜的主要優(yōu)點(diǎn)是，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捏w系結(jié)構(gòu)編寫多個(gè)版本的源代碼。 后者“外包”給在Kokkos工作的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和硬件供應(yīng)商。

由Grete和他的同事進(jìn)行的測試表明，K-雅典娜的性能可移植性實(shí)際上是有效的。 事實(shí)上，他們的代碼在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)中的第一、第九、第二十四和第三十三位高效運(yùn)行，跨越了四種不同的體系結(jié)構(gòu)。 研究人員還展示了他們的方法的可伸縮性，將其應(yīng)用于幾乎整個(gè)峰會(huì)超級(jí)計(jì)算機(jī)（目前是世界上最快的），就在今年早些時(shí)候正式啟動(dòng)的大約兩個(gè)月后。

格雷特說：“從總體上看，我們希望，我們的研究結(jié)果將鼓勵(lì)其他研究小組也探索其代碼中的性能可移植性，最終提高科學(xué)生產(chǎn)力（通過花更多的時(shí)間在科學(xué)上，而不是重寫/優(yōu)化代碼），或者以我們發(fā)布的代碼為基礎(chǔ)?！?/p>

格雷特和他的同事進(jìn)行的研究提供了一個(gè)有價(jià)值的例子，說明如何調(diào)整代碼以滿足現(xiàn)代的大計(jì)算要求。 在他們的論文中，研究人員概述了他們的實(shí)施策略和他們在試圖最大化計(jì)算性能時(shí)遇到的挑戰(zhàn)。 他們希望他們的經(jīng)驗(yàn)和洞察力將激勵(lì)其他研究團(tuán)隊(duì)開始為exascale時(shí)代準(zhǔn)備他們的代碼和架構(gòu)。

格雷特補(bǔ)充說：“我們的研究小組普遍對磁化湍流和擴(kuò)散等離子體感興趣，就像在許多天體物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那樣?！?“我們打算用K-雅典娜來模擬那些在分辨率和我們可以包括的物理方面前所未有的細(xì)節(jié)。 這將使我們能夠處理需要大動(dòng)態(tài)尺度（例如，空間等離子體中的能量轉(zhuǎn)移)或與小尺度效應(yīng)(例如通過小尺度發(fā)電機(jī)放大磁場）有關(guān)的尚未解決的問題。