An integrated software approach to interactive exploration and steering of fluid flow simulations on many-core architectures

Traditionell werden numerische Strömungssimulationen in einer zyklischen Sequenz autonomer Teilschritte durchgeführt. Seitens Wissenschaftlern existiert jedoch schon lange der Wunsch nach mehr Interaktion mit laufenden Simulationen. Seit dem maßgeblichen Report der National Science Foundation im Jahre 1987 wurden daher neue Formen der wissenschaftlichen Visualisierung entwickelt, die sich grundlegend von den traditionellen Verfahren unterscheiden. Insbesondere hat der sogenannte Computational Steering-Ansatz reges Interesse bewirkt. Damals wie heute ist die Anwendung des Verfahrens jedoch eher die Ausnahme denn die Regel. Ursächlich dafür sind zu großen Teilen Komplexität und Restriktionen traditioneller Hochleistungssysteme. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher als Alternative zu dem traditionellen Vorgehen die immense Leistungsfähigkeit moderner Grafikkartengenerationen für die Berechnungen herangezogen. Das sogenannte GPGPU-Computing eignet sich insbesondere für die Anwendung der Lattice-Boltzmann-Methode im Bereich numerischer Strömungssimulationen. Auf Grundlage des LBM-Verfahrens wird im Rahmen dieser Arbeit prototypisch eine interaktive Simulationsumgebung basierend auf dem Computational Steering-Paradigma entwickelt, das alle Prozesse zur Lösung von Strömungsproblemen innerhalb einer einzelnen Anwendung integriert. Durch die Konvergenz der hohen massiv parallelen Rechenleistung der GPUs und der Interaktionsfähigkeiten in einer einzelnen Anwendung kann eine erhebliche Steigerung der Anwendungsqualität erzielt werden. Dabei ist es durch Einsatz mehrerer GPUs möglich, dreidimensionale Strömungsprobleme mit praxisrelevanter Problemgröße zu berechnen und gleichzeitig eine interaktive Manipulation und Exploration des Strömungsgebiets zur Laufzeit zu ermöglichen. Dabei ist der erforderliche finanzielle Aufwand verglichen mit traditionellen massiv parallelen Verfahren verhältnismäßig gering.Traditionally, computational fluid dynamics is done in a cyclic sequence of independent steps. Howerver it is a long term wish of scientists and engineers to closely interact with their running simulations. Since the influential report of the US National Science Foundation in 1987 new forms of scientific visualization have evolved that are quite different from traditional post-processing. Especially the approach commonly referred to as computational steering has been the subject of widespread interest. Although it is a very powerful paradigm, the use of computational steering is still the exception rather than the rule. The reasons for this are more or less related to the complexity and restrictions of traditional HPC systems. As an alternative to the traditional massively parallel approach, in this thesis the parallel computational power of GPGPUs is used for general purpose applications. The so called GPGPU computing has gained large popularity in the CFD community, especially for its application to the lattice Boltzmann method. Using this technology this work demonstrates a single desktop application integrating a complete interactive CFD simulation environment for reasonable hardware costs. It shows that the convergence of massive parallel computational power and steering environment into a single system significantly improves the usability, application quality and user-friendliness. Using multiple GPUs, the efficiency of this approach allows for CFD simulations in three dimensional space evolving close to real-time even for reasonable grid sizes. Thereby, the simulation can be explored and also adjusted during runtime. The thesis also shows that the responsiveness significantly benefits from avoiding common bandwidth and latency bottlenecks inherent in traditional HPC approaches. Those can be avoided as GPGPU computing does not generally require network communication, which also reduces the complexity of the application

FPGA-Cluster – Anwendungsgebiete und Kommunikationsstrukturen

Romoth J. FPGA-Cluster – Anwendungsgebiete und Kommunikationsstrukturen. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2018.Fortschritte in der Fertigungstechnik von Halbleitern in Silizium ermöglichen hohe Integrationsdichten und somit den Entwurf von leistungsstarken digitalen logikverarbeitenden Elementen. Mit Hilfe hochparalleler anpassbarer flexibler Architekturen wie im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnungen (engl.: Field Programmable Gate Array, FPGA) kann eine Vielzahl an Problemstellungen gelöst werden. Aufgrund der gebotenen Parallelität ist es selbst bei den verhältnismäßig geringen Taktraten des FPGAs, die den hochspezialisierten dedizierten Schaltungen anderer Systeme gegenüberstehen, möglich, harte Echtzeitschranken bei der Lösungsberechnung einzuhalten. Darüber hinaus ist die Energieeffizienz aufgrund des proportionalen Einflusses der Taktrate auf die dynamische Verlustleistung von Schaltungen wesentlich höher. Dennoch erfordern unterschiedliche Anwendungsszenarien von FPGAs eine derart hohe Anzahl an Logikressourcen, dass nur die Bündelung mehrerer FPGAs zu einem vernetzten Cluster eine effiziente Verarbeitung gewährleistet. Im Verlauf dieser Arbeit werden die Anforderungen an eine FPGA-Cluster-Lösung herausgestellt. Anhand eines Überblicks über die typischen Anwendungsfelder rekonfigurierbarer Logiksysteme können die grundlegenden Voraussetzungen identifiziert werden, die eine universell einsetzbare FPGA-Cluster-Architektur erfüllen muss. Insbesondere an die Kommunikationsinfrastruktur zwischen den einzelnen FPGAs im Cluster werden hohe Anforderungen in Bezug auf die Flexibilität gestellt. Die Anpassbarkeit an die individuellen Anforderungen der eingesetzten Algorithmen ist somit neben der Datenrate und der Latenz ein Kernelement bei der Entwicklung des FPGA-Clusters. Zur Evaluation von Systementwürfen wird eine Modellierung erarbeitet, die einen Vergleich auf Basis der Kommunikationsstrukturen ermöglicht. Eine darüber hinausgehende Optimierung des die Verbindungen im Cluster beschreibenden Graphen führt zu einer Minimierung der Latenz von Datenübertragungen und somit zu einer Leistungssteigerung des Gesamtsystems. Die identifizierten Anforderungen an ein flexibles, modulares und skalierbares FPGA-Cluster-System werden im Rahmen der Arbeit umgesetzt, so dass der RAPTOR-XPress-FPGA-Cluster entsteht, der zudem zur Steigerung der Ressourceneffizienz auf den Mehranwenderbetrieb ausgelegt ist. Auf diese Weise lassen sich in einer Anwendung ungenutzte FPGAs parallel für andere Aufgaben verwenden. Im Zusammenspiel mehrerer Arbeiten des Fachgebiets Kognitronik und Sensorik der Universität Bielefeld ist ein Beispielaufbau mit 16 RAPTOR-XPress-Trägersystemen und 64 FPGAs mit insgesamt 44 359 680 Logikzellen-Äquivalenten und 256 GB an lokalem Arbeitsspeicher realisiert worden. Durch die Umsetzung topologieoptimierter Verbindungsstrukturen kann eine gegenüber vergleichbaren Systemen um 28% gesteigerte Logikdichte erreicht werden, die zusammen mit der erzielbaren Datenrate von 16 x 11,5 Gbit/s die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsinfrastruktur des FPGA-Clusters verdeutlicht

Transformation von Multiphysics-Modellen in einen FPGA-Entwurf für den echtzeitfähigen HiL-Test eingebetteter Systeme

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine durchgängige Werkzeugkette von der Modellbildung physikalischer Simulationen bis zur Entwurfsautomatisierung für FPGA-basierte Echtzeitsimulationen etabliert. Modelica wurde als vielseitige, intuitive und objektorientierte Sprache zur Modellbildung ausgewählt. Die entwickelte Werkzeugkette nutzt Methoden der High-Level-Synthese, um einen Entwurf in VHDL zu generieren. Dabei können sowohl Entwürfe in Fließkomma-, als auch Festkomma-Arithmetik erzeugt werden

Parallele und kooperative Simulation für eingebettete Multiprozessorsysteme

Die Entwicklung von eingebetteten Systemen wird durch die stetig steigende Anzahl und Integrationsdichte neuer Funktionen in Kombination mit einem erhöhten Interaktionsgrad zunehmend zur Herausforderung. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Methoden zur SystemC-basierten parallelen Simulation von Multiprozessorsystemen auf Manycore Architekturen sowie zur Verbesserung der Interoperabilität zwischen heterogenen Simulationswerkzeugen entwickelt, experimentell untersucht und bewertet

32. Forum Bauinformatik 2021

Das Forum Bauinformatik ist eine jährlich stattfindende Tagung und ein wichtiger Bestandteil der Bauinformatik im deutschsprachigen Raum. Insbesondere Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern bietet es die Möglichkeit, ihre Forschungsarbeiten zu präsentieren, Problemstellungen fachspezifisch zu diskutieren und sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Es bietet sich ausgezeichnete Gelegenheit, in die wissenschaftliche Gemeinschaft im Bereich der Bauinformatik einzusteigen und Kontakte mit anderen Forschenden zu knüpfen