Performance analysis of SSE and AVX instructions in multi-core CPUs and GPU computing on FDTD scheme for solid and fluid vibration problems

In this work a unified treatment of solid and fluid vibration problems is developed by means of the Finite-Difference Time-Domain (FDTD). The scheme here proposed takes advantage from a scaling factor in the velocity fields that improves the performance of the method and the vibration analysis in heterogenous media. Moreover, the scheme has been extended in order to simulate both the propagation in porous media and the lossy solid materials. In order to accurately reproduce the interaction of fluids and solids in FDTD both time and spatial resolutions must be reduced compared with the set up used in acoustic FDTD problems. This aspect implies the use of bigger grids and hence more time and memory resources. For reducing the time simulation costs, FDTD code has been adapted in order to exploit the resources available in modern parallel architectures. For CPUs the implicit usage of the advanced vectorial extensions (AVX) in multi-core CPUs has been considered. In addition, the computation has been distributed along the different cores available by means of OpenMP directives. Graphic Processing Units have been also considered and the degree of improvement achieved by means of this parallel architecture has been compared with the highly-tuned CPU scheme by means of the relative speed up. The speed up obtained by the parallel versions implemented were up to 3 (AVX and OpenMP) and 40 (CUDA) times faster than the best sequential version for CPU that also uses OpenMP with auto-vectorization techniques, but non includes implicitely vectorial instructions. Results obtained with both parallel approaches demonstrate that massive parallel programming techniques are mandatory in solid-vibration problems with FDTD.The work is partially supported by the “Ministerio de Economía y Competitividad” of Spain under project FIS2011-29803-C02-01, by the Spanish Ministry of Education (TIN2012-34557), by the “Generalitat Valenciana” of Spain under projects PROMETEO/2011/021 and ISIC/2012/013, and by the “Universidad de Alicante” of Spain under project GRE12-14

Elaboración de herramientas basadas en laboratorios virtuales para la docencia en Ingeniería Acústica en el Grado de Telecomunicación

En este trabajo se resumen los avances realizados por la red constituida por los autores en la elaboración de herramientas interactivas enfocadas a la docencia universitaria. En particular, se han desarrollado y mejorado dos herramientas destinadas a suplir y mejorar facetas en la docencia dentro del área de la Ingeniería Acústica en el Grado en Ingeniería Sonido e Imagen en Telecomunicación de la Universidad de Alicante. La primera de las tareas realizadas ha sido la elaboración de un módulo que permite el cálculo del tiempo de reverberación sobre la aplicación implementada en MATLAB VSLM. La segunda tarea ha sido reelaborar la aplicación basada en diferencias finitas que permite la visualización del campo vibratorio en problemas de análisis modal en barras. En este trabajo se explican el desarrollo y elaboración de dichas herramientas así como su funcionamiento básico. Finalmente se enumerarán las conclusiones obtenidas de este trabajo, las líneas futuras de continuidad, así como las dificultades encontradas a la hora de abordar este tema

Elaboración de aplicaciones interactivas para la docencia en el grado Grado de Telecomunicación

En este trabajo se muestran los avances realizados en el desarrollo de aplicaciones basadas en laboratorios virtuales para el estudio de la Acústica en el Grado de Telecomunicación. En particular se muestra la extensión de la aplicación VSLM accesible vía on-line y de carácter libre. Esta aplicación está implementada en lenguaje MATLAB y se basa en una interfaz gráfica sencilla que permite simular el funcionamiento de un sonómetro offline. El módulo incorporado a la aplicación permite calcular el tiempo de reverberación y una serie de parámetros relacionados con el mismo para poder caracterizar acústicamente salas y recintos. De forma paralela se muestran los avances realizados en la mejora de la aplicación implementada con anterioridad por los autores dedicada al estudio de las ondas mecánicas en barras con diferentes condiciones de contorno. La aplicación estaba implementada inicialmente en MATLAB para la parte gráfica y el interfaz, mientras que la parte de cálculo se realizó en C++. En este trabajo se muestran los resultados iniciales y la toma de contacto para la unificación de la interfaz y el código que implementa el método numérico en C++ mediante la librería Qt

Laboratorio virtual basado en MATLAB para la docencia de Acústica en el Grado de Telecomunicación

En este trabajo se presentan los primeros resultados derivados del desarrollo de un laboratorio virtual para el estudio de las ondas mecánicas en barras con diferentes condiciones de contorno. La aplicación permite visualizar tanto las ondas dentro del sólido como las ondas sonoras producidas por la barra sometida a un impacto. Esta aplicación pretende ser la base de un laboratorio virtual completo que cubra diferentes situaciones didácticas dentro del campo de la Acústica. La interfaz gráfica se ha realizado en MATLAB para que el alumno pueda configurar la experiencia sin tener conocimientos avanzados de programación. La herramienta permite variar de forma sencilla los parámetros físicos de las barras a simular, así como el tipo de fijación en la barra y el punto de excitación. La aplicación representa en tiempo real la distribución de velocidades en el interior de la barra y en aire que la rodea, permitiendo al estudiante identificar de forma visual los diferentes fenómenos que se producen en estos sistemas: ondas longitudinales, ondas transversales y ondas superficiales Love y/o Rayleigh. Se pretende distribuir la herramienta de forma libre a los estudiantes en el siguiente curso académico para evaluar el impacto que este tipo de estrategias tienen en el proceso de enseñanza-aprendizaje.Los autores desean agradecer la financiación de la Universidad de Alicante vía los proyectos GITE-09006-UA, GITE-09014-UA, y al ICE de la Universidad de Alicante a través de la convocatoria de Proyectos de Redes 2013-2014 y su soporte a la red 3092

Elaboración de aplicaciones interactivas para la docencia en el grado Grado de Telecomunicación

En este trabajo se muestran los avances realizados en el desarrollo de aplicaciones basadas en laboratorios virtuales para el estudio de la Acústica en el Grado de Telecomunicación. En particular se muestra la extensión de la aplicación VSLM accesible vía on-line y de carácter libre. Esta aplicación está implementada en lenguaje MATLAB y se basa en una interfaz gráfica sencilla que permite simular el funcionamiento de un sonómetro offline. El módulo incorporado a la aplicación permite calcular el tiempo de reverberación y una serie de parámetros relacionados con el mismo para poder caracterizar acústicamente salas y recintos. De forma paralela se muestran los avances realizados en la mejora de la aplicación implementada con anterioridad por los autores dedicada al estudio de las ondas mecánicas en barras con diferentes condiciones de contorno. La aplicación estaba implementada inicialmente en MATLAB para la parte gráfica y el interfaz, mientras que la parte de cálculo se realizó en C++. En este trabajo se muestran los resultados iniciales y la toma de contacto para la unificación de la interfaz y el código que implementa el método numérico en C++ mediante la librería Qt.En este trabajo se muestran los avances realizados en el desarrollo de aplicaciones basadas en laboratorios virtuales para el estudio de la Acústica en el Grado de Telecomunicación. En particular se muestra la extensión de la aplicación VSLM accesible vía on-line y de carácter libre. Esta aplicación está implementada en lenguaje MATLAB y se basa en una interfaz gráfica sencilla que permite simular el funcionamiento de un sonómetro offline. El módulo incorporado a la aplicación permite calcular el tiempo de reverberación y una serie de parámetros relacionados con el mismo para poder caracterizar acústicamente salas y recintos. De forma paralela se muestran los avances realizados en la mejora de la aplicación implementada con anterioridad por los autores dedicada al estudio de las ondas mecánicas en barras con diferentes condiciones de contorno. La aplicación estaba implementada inicialmente en MATLAB para la parte gráfica y el interfaz, mientras que la parte de cálculo se realizó en C++. En este trabajo se muestran los resultados iniciales y la toma de contacto para la unificación de la interfaz y el código que implementa el método numérico en C++ mediante la librería Qt.Peer ReviewedPostprint (published version

Fast GPU-Based Seismogram Simulation From Microseismic Events in Marine Environments Using Heterogeneous Velocity Models

A novel approach is presented for fast generation of synthetic seismograms due to microseismic events, using heterogeneous marine velocity models. The partial differential equations (PDEs) for the 3D elastic wave equation have been numerically solved using the Fourier domain pseudo-spectral method which is parallelizable on the graphics processing unit (GPU) cards, thus making it faster compared to traditional CPU based computing platforms. Due to computationally expensive forward simulation of large geological models, several combinations of individual synthetic seismic traces are used for specified microseismic event locations, in order to simulate the effect of realistic microseismic activity patterns in the subsurface. We here explore the patterns generated by few hundreds of microseismic events with different source mechanisms using various combinations, both in event amplitudes and origin times, using the simulated pressure and three component particle velocity fields via 1D, 2D and 3D seismic visualizations.Shell Projects and Technolog

Performance analysis of SSE and AVX instructions in multi-core CPUs and GPU computing on FDTD scheme for solid and fluid vibration problems

In this work a unified treatment of solid and fluid vibration problems is developed by means of the Finite-Difference Time-Domain (FDTD). The scheme here proposed takes advantage from a scaling factor in the velocity fields that improves the performance of the method and the vibration analysis in heterogenous media. Moreover, the scheme has been extended in order to simulate both the propagation in porous media and the lossy solid materials. In order to accurately reproduce the interaction of fluids and solids in FDTD both time and spatial resolutions must be reduced compared with the set up used in acoustic FDTD problems. This aspect implies the use of bigger grids and hence more time and memory resources. For reducing the time simulation costs, FDTD code has been adapted in order to exploit the resources available in modern parallel architectures. For CPUs the implicit usage of the advanced vectorial extensions (AVX) in multi-core CPUs has been considered. In addition, the computation has been distributed along the different cores available by means of OpenMP directives. Graphic Processing Units have been also considered and the degree of improvement achieved by means of this parallel architecture has been compared with the highly-tuned CPU scheme by means of the relative speed up. The speed up obtained by the parallel versions implemented were up to 3 (AVX and OpenMP) and 40 (CUDA) times faster than the best sequential version for CPU that also uses OpenMP with auto-vectorization techniques, but non includes implicitely vectorial instructions. Results obtained with both parallel approaches demonstrate that massive parallel programming techniques are mandatory in solid-vibration problems with FDTD.Peer ReviewedPostprint (published version

Performance analysis of SSE and AVX instructions in multi-core CPUs and GPU computing on FDTD scheme for solid and fluid vibration problems

In this work a unified treatment of solid and fluid vibration problems is developed by means of the Finite-Difference Time-Domain (FDTD). The scheme here proposed takes advantage from a scaling factor in the velocity fields that improves the performance of the method and the vibration analysis in heterogenous media. Moreover, the scheme has been extended in order to simulate both the propagation in porous media and the lossy solid materials. In order to accurately reproduce the interaction of fluids and solids in FDTD both time and spatial resolutions must be reduced compared with the set up used in acoustic FDTD problems. This aspect implies the use of bigger grids and hence more time and memory resources. For reducing the time simulation costs, FDTD code has been adapted in order to exploit the resources available in modern parallel architectures. For CPUs the implicit usage of the advanced vectorial extensions (AVX) in multi-core CPUs has been considered. In addition, the computation has been distributed along the different cores available by means of OpenMP directives. Graphic Processing Units have been also considered and the degree of improvement achieved by means of this parallel architecture has been compared with the highly-tuned CPU scheme by means of the relative speed up. The speed up obtained by the parallel versions implemented were up to 3 (AVX and OpenMP) and 40 (CUDA) times faster than the best sequential version for CPU that also uses OpenMP with auto-vectorization techniques, but non includes implicitely vectorial instructions. Results obtained with both parallel approaches demonstrate that massive parallel programming techniques are mandatory in solid-vibration problems with FDTD.Peer Reviewe

Improving finite-difference time-domain memory bandwidth by using block floating-point arithmetic

Докторска теза анализира предлог за уштеду меморијских ресурса у меморијски интензвином алгоритму. Предмет истраживања је проналажење решења које би услед ефикаснијег руковања меморијом имало и мању потрошњу исте што би резултовало ефикаснијим системом и решењем. Резултат истраживања је симулација која потрвђује хипотезу, као и физичка имплементација која проверава исправност концепта.Doktorska teza analizira predlog za uštedu memorijskih resursa u memorijski intenzvinom algoritmu. Predmet istraživanja je pronalaženje rešenja koje bi usled efikasnijeg rukovanja memorijom imalo i manju potrošnju iste što bi rezultovalo efikasnijim sistemom i rešenjem. Rezultat istraživanja je simulacija koja potrvđuje hipotezu, kao i fizička implementacija koja proverava ispravnost koncepta.PhD thesis analyzes a proposal for improving memory bandwidth in a memory intense algorithm. The purpose of the study is to find a more effective and efficient solution which would use less memory for the same algorithm and thus have better performance. The result of the study is a simulation model which proves the hypothesis as well as a hardware implementation on an FPGA development board which acts as a proof of concept