Ein Modell zur effizienten Parallelisierung von Algorithmen auf komplexen, dynamischen Datenstrukturen

Moderne berechnungsintensive Algorithmen, beispielsweise adaptive numerische Lösungsverfahren für partielle Differentialgleichungen, arbeiten oftmals auf komplexen, dynamischen Datenstrukturen. Die Implementierung solcher Algorithmen auf Parallelrechnern mit verteiltem Speicher mittels Datenpartitionierung wirft zahlreiche Probleme auf (z.B. Lastverteilung). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das neue parallele Programmiermodell Dynamic Distributed Data (DDD) entwickelt, durch das die Parallelisierungsarbeit vom Design der verteilten Datenstrukturen bis hin zur Erstellung des portablen, parallelen und effizienten Programmcodes unterstützt wird. Dem DDD-Konzept liegt ein graphbasiertes formales Modell zugrunde. Dabei wird die Datenstruktur des jeweiligen Programms (z.B. unstrukturierte Gitter) formal auf einen verteilten Graphen abgebildet, der aus mehreren lokalen Graphen besteht. Das formale Modell dient als Spezifikation des Programmiermodells und gleichzeitig zur Definition der wichtigen in dieser Arbeit verwendeten Begriffe. Der Systemarchitektur von DDD-basierten Anwendungen liegt ein Schichtenmodell zugrunde, den Kern stellt dabei die DDD-Programmbibliothek dar. Diese bietet Funktionen zur dynamischen Definition verteilter Datentypen und zur Verwaltung lokaler Objekte. In den Überlappungsbereichen der lokalen Graphen stehen abstrakte Kommunikationsfunktionen in Form von sog. Interfaces zur Verfügung. Die wesentliche Neuerung gegenüber nahezu allen bestehenden Arbeiten ist jedoch die Möglichkeit zur dynamischen Veränderung des verteilten Graphen; dies ermöglicht es beispielsweise, dynamische Lastverteilung oder Gittergenerierungsverfahren einfach und effizient zu implementieren. Damit können beliebig komplexe Datentopologien dynamisch erzeugt, migriert und wieder entfernt werden

Nodale Spektralelemente und unstrukturierte Gitter - Methodische Aspekte und effiziente Algorithmen

Die Dissertation behandelt methodische und algorithmische Aspekte der Spektralelementemethode zur räumlichen Diskretisierung partieller Differentialgleichungen. Die Weiterentwicklung einer symmetriebasierten Faktorisierung ermöglicht effiziente Operatoren für Tetraederelemente. Auf Grundlage einer umfassenden Leistungsanalyse werden Engpässe in der Implementierung der Operatoren identifiziert und durch algorithmische Modifikationen der Methode eliminiert

Parallele Simulation der globalen Beleuchtung in komplexen Architekturmodellen

von Olaf SchmidtPaderborn, Univ.-GH, Diss., 200

Entwicklungsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf von Mikrokomponenten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Konstruktionsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf mikromechanischer Komponenten auf der Grundlage des naßchemischen, anisotropen Tiefenätzens von monokristallinem Silizium entwickelt. Die Inhalte spannen einen Bogen vom Stand der Konstruktionsmethodik mikrotechnischer Systeme über die Konzeption und Implementierung einer neuen Entwurfssystematik bis hin zu deren Einsatz im Entwurf einer komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur. Das Konzept der Umgebung trägt der Tatsache Rechnung, daß bislang kaum standardisierte mikrotechnische Bauteile am Markt verfügbar sind und sich daher primär die Aufgabe einer Neukonstruktion und Charakterisierung seiner Funktionskomponenten stellt. Die Komplexität und Heterogenität mikrotechnischer Bauelemente verhinderte bislang die einheitliche und überschaubare Integration einer rechnerunterstützten Entwicklung mikrotechnischer Komponenten und Systeme. Dem Funktionskonzept des mikrotechnischen Bauteils steht zudem vielfach ein restriktiver Einfluß der Fertigungstechnologie auf den Gestaltungsraum gegenüber. Die derzeit praktizierte, analytische Entwurfsmethodik, ausgehend vom Layout einer zweidimensionalen Maske auf die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur zu schließen, ist daher schwierig und fehlerträchtig. Im Fall des anisotropen Ätzens gilt dieses insbesondere für komplexe Strukturen, deren Form nicht direkt aus dem Si-Kristall abgeleitet werden kann. In der Entwurfspraxis führt dies häufig zu einer Einengung des theoretisch nutzbaren Gestaltungsraums. Vor diesem Hintergrund realisiert die Konstruktionsumgebung folgende Zielsetzungen: - anwendergerechte Abbildung und Steuerung des Entwurfsablaufs anisotrop geätzter Mikrostrukturen und Dekomposition der Entwurfsaufgabe im Rahmen eines einheitlichen Integrationskonzepts der vorhandenen Entwurfswerkzeuge sowie Unterstützung einer kooperativen Aufgabenbearbeitung der Entwurfsaufgabe auf der Basis eines Workflow-Managementsystems. Das workflowbasierte Organisationskonzept der Umgebung unterstützt die einheitliche Integration weiterer domänenspezifischer Konstruktionsabläufe. - Verbesserung der Gestaltungsmethodik mikromechanischer Funktionskomponenten und Erweiterung des technologischen Anwendungsspektrums der anisotropen Ätztechnik durch die teilweise Umkehrung des klassischen Entwurfs-Grundformalismus. Grundlage ist die Entwicklung eines neuenWerkzeugs zur automatisierten Synthese lithographischer Maskenlayouts aus der 3DKomponentenbeschreibung (Layoutsynthese) auf der Basis genetischer Algorithmen. Die Layoutsynthese nutzt hierzu einen in die Konstruktionsumgebung integrierten Ätzsimulator. Das Programmsystem ist langfristig auf die Angliederung weiterer, lithographieorientierter Prozeßsimulationen ausgelegt. - Implementierung eines durchgängigen Informationsflusses im Entwurfsprozeß, ausgehend von der funktionalen Konzeption bis hin zur strukturellen Verifikation des Bauteils. Die Realisierung erfolgt im wesentlichen durch die Entwicklung einer Transformation der Ätzsimulationsergebnisse in ein Geometriemodell der Finite-Elemente-Methode auf der Grundlage rekursiver Octree- Datenstrukturen. Der Ansatz schließt die Lücke in der von der Entwurfssystematik unterstützten Wechselbeziehung einer zugleich technologie- und strukturorientierten Gestaltentwicklung mikromechanischer Funktionselemente. Zur Demonstration der Effektivität der Konstruktionsumgebung wird anhand des Entwurfs eines aus Sicht der Prozeßtechnik komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur der Nutzen der Entwurfsmethodik und seiner Implementierung im Rahmen der vorliegenden Konstruktionsumgebung nachgewiesen. Die simulatorischen und technologischen Ergebnisse des Beispiels verdeutlichen insbesondere die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten anisotrop geätzter Mikrostrukturen

Vertex-Tracing - Interaktives Ray-Tracing durch adaptiv progressives Refinement im Objektraum

Abstract This dissertation presents an approach for interactive, physically exact simulation of specular reflections and specular refractions in virtual environments. The introduced approach is called Vertex Tracing and allows a hybrid rendering to add global illumination effects in traditional hardware rendering systems. The core of the Vertex Tracing is an adaptive progressive ray tracing. In contrast to standard ray tracing we use image coherence to compute only pixels (samples) that are essential for the final image reconstruction. The step by step adaption towards the final image is performed by geometry refinement of chosen polyhedra. These are scene objects with visual characteristics as specular reflections or refractions and should be handled particularly for Vertex Tracing. The object vertices are the starting point of computation. First, primary rays are shot from the eye point to the object vertices and after that, like in classical ray tracing approaches, a recursive ray shooting is performed from each vertex. If needed new vertices are inserted and consequently a step by step refinement of the object geometry is done. The reconstruction of the final image is performed by bilinear interpolation via graphics hardware. Beside the possibility of a combined rendering with OpenGL-objects, the use of graphics hardware additionally allows an efficient handling of textures. In this context, we introduce a defered texture lookup to prevent a costly sampling of high frequent textures. In addition, this thesis considers aspects of a distributed and parallel computation to speed up Vertex Tracing. In detail we implemented a distributed Vertex Tracing for a heterogenous network as well as a parallel approach for shared memory machines. Despite the adaptive progressive characteristic of the Vertex Tracing both techniques show that a significant speed-up can be achieved.Die vorliegende Dissertation beschreibt ein Verfahren zur interaktiv physikalisch exakten Simulation spekularer Reflexionen sowie spekularer Brechungen in virtuellen Umgebungen. Unter dem Begriff Vertex-Tracing wird in dieser Arbeit ein Ansatz vorgestellt, der es durch hybrides Rendering erlaubt, traditionelles Hardware-Rendering mit globalen Beleuchtungsphänomenen zu ergänzen. Kern des Verfahrens Vertex-Tracing bildet ein adaptiv progressives Ray-Tracing. Im Gegensatz zum Standard-Ray-Tracing besteht das Ziel darin, vorhandene Bildkohärenzen auszunutzen, indem nur diejenigen Pixel (Samples) berechnet werden, die für die Rekonstruktion des Finalbildes erforderlich sind. Die schrittweise Annäherung an das gewünschte Finalbild erfolgt durch Verfeinerung (Refinement) der Geometrie ausgewählter Polyeder. Diese sind Szenenobjekte, die aufgrund ihrer visuellen Charakteristik in Form spekularer Reflexionen oder Brechungen einem Vertex-Tracing unterzogen werden sollen. Ausgangspunkt der Berechnung dieser Objekte stellen ihre Objekt-Vertices dar. Sie bilden jeweils den Aufpunkt eines geschossenen Primärstrahles vom Betrachter und sind zugleich Startpunkt für eine weitere rekursive Strahlenverfolgung im Sinne des klassischen Ray-Tracing. Je nach Bedarf erfolgt das Einfügen neuer Vertices, dass eine schrittweise Verfeinerung der Objektgeometrie nach sich zieht. Die Rekonstruktion des Finalbildes erfolgt durch bilineare Interpolation mit Hilfe von Graphik-Hardware. Ihre Nutzung gestattet nicht nur ein kombiniertes Rendering mit herkömmlichen OpenGL-Objekten, sondern erlaubt darüber hinaus eine effiziente Behandlung von Texturen im Vertex-Tracing. In diesem Zusammenhang wird ein verzögerter Textur-Lookup vorgestellt. Er verhindert ein vollständiges Sampling von Texturen, das vor allem bei hochfrequenten Texturen einen erheblichen Mehraufwand bedeuten würde. Im Hinblick auf die Beschleunigung des Verfahrens werden ferner Aspekte einer verteilt, parallelen Berechnung untersucht beziehungsweise umgesetzt. Im Vordergrund steht dabei die Verteilung des Vertex-Tracings im Rechner-Cluster sowie eine Parallelisierung des Algorithmus auf Shared-Memory-Maschinen. Beide Ansätze zeigen, dass trotz des adaptiv progressiven Charakters des Verfahrens Vertex-Tracing ein signifikanter Speed-Up erzielbar ist

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

An explicit model for the fluid-structure interaction based on LBM and p-FEM

Die Arbeit beschäftigt sich mit der partitionierten Kopplung von zwei effizienten Lösern zur Simulation von Fluid-Struktur-Interaktionsproblemen. Auf der einen Seite ist dies der Lattice-Boltzmann-basierende Fluidlöser VirtualFluids und auf der anderen Seite der Finite-Elemente-Strukturlöser höherer Ordnung AdhoC. Anhand eines Benchmarks für poröse Medien wurde die Leistungsfähigkeit des LB-Ansatzes aufgezeigt. Die hohe Effizienz des Lösers motivierte die Untersuchung hinsichtlich einer Fluid-Struktur-Kopplung. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein explizites Kopplungsschema zu entwickeln. Dieses wird durch die schwach kompressible Formulierung der notwendigen Gleichungen ermöglicht. Notwendige Kraftinterpolationsverfahren wurden auf der Fluidseite entwickelt. Die sehr anspruchsvolle Behandlung von bewegten Geometrien auf quadtree/octreeartigen Gittern war eine Herausforderung des entwickelten Gittergenerators. Ein numerischer und ein experimenteller Benchmark, initiiert von der DFG-Forschergruppe 493, wurden ausführlich in 2-D validiert. Die übereinstimmenden Ergebnisse mit anderen Simulationscodes zeigten, dass die Simulationen mit dem expliziten Kopplungsschema durchgeführt werden können. Für die dreidimensionale Fluid-Struktur-Interaktion führten die Testfälle einer in einem Rohr sinkenden Kugel und eine längsangeströmte Rechteckplatte zu guten Resultaten. Hierbei ist die Berechnungseffizienz der gekoppelten Simulation im Vergleich zu anderen impliziten Verfahren hervorzuheben. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die flexible Softwarearchitektur des VirtualFluids-Strömungslösers, die auch für weitere physikalische Problemstellungen und eine interaktive Bedienung der laufenden Simulation entwickelt wurde. Für den Anspruch Adaptivität, Parallelisierung und wissenschaftliche Visualisierung in einer Simulationsumgebung zu vereinen, ist der gezeigte Ansatz vielversprechend.This work deals with the partitioned coupling of two efficient solvers for the simulation of fluid-structure-interaction problems. The fluid solver VirtualFluids, based on the Lattice-Boltzmann method, and the high order finite element structural solver AdhoC are used. Based on a benchmark for porous media, the efficiency of the LB approach was shown. The high efficiency has further motivated the development of the fluid-structure coupling approach. In this work we succeessfully developed an explicit coupling scheme. This is possible due to the weakly compressible form of the governing equations. Force interpolation rules have been developed on the fluid side. Moreover, the handling of moveable geometries on quadtree/octree-typed grids was a major challenge for the grid generator. In two dimensions, a numerical and an experimental benchmark, initiated from the DFG Research Unit 493, were validated in detail. The results agreed well with other simulation codes and showed that the simulation can be done with an explicit coupling scheme. For the three dimensional fluid-structure interaction, a sinking sphere in a pipe and a rectangular plate in a cross flow leads to good results. For all of the examined test cases, the high computational efficiency of the coupled simulation in comparison to implicit methods has to be pointed out. The last part of this work describes the flexible software concept of the flow solver VirtualFluids, which is the basis for further physical problem definitions and an interactive handling of the running simulation. The presented software concept has shown to be capable of combining adaptivity, parallelization and scientific visualization in one simulation environment