Über die hoch-parallele Implementierung der CFD-Software von ONERA, DLR und Airbus (CODA)

Kurzfassung

Die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist eine entscheidende Schlüsseltechnologie für die vollständige digitale Beschreibung und den Entwurf von Luftfahrzeugen im Rahmen eines multi-disziplinärer Simulationsprozesses. Sie ist daher ein wesentliches Element auf dem Weg zum virtuellen Produkt, welches das "Leitkonzept 6" der DLR-Luftfahrtforschung bildet. Da hochgenaue CFD-Verfahren zu besonders hohen Rechenaufwänden führen, ist die effiziente Nutzung aktueller und künftiger Hoch- und Höchstleistungsrechensystemen von kritischer Bedeutung. Das DLR entwickelt zu diesem Zweck im Rahmen einer europäischen Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen und Industriepartnern eine neue CFD-Software von ONERA, DLR und Airbus (CODA). Die allgemeine Verfügbarkeit von Exascale-Höchstleitungsrechensystemen auch für Engineering-Anwendungen ist inzwischen absehbar. Solch enorme nominellen Simulationskapazitäten aus Hardware-Sicht erfordern jedoch Software, die diese massiv parallele Hardware auch tatsächlich effizient nutzen kann. Für auf Gebietszerlegung (domain decomposition) basierende Algorithmen, die im Allgemeinen für die numerische Strömungssimulation verwendet werden, hat sich gezeigt, dass die Ausführung eines MPI-Prozesses, d. h. eines Teilgebiets (einer domain) pro CPU-Kern nicht mehr ausreichend gut parallel skaliert, als dass massiv parallel Architekturen mit Hunderten von CPU-Kernen pro Cluster-Knoten effizient genutzt werden könnten -- es gibt bei dieser einfachen Parallelisierungsstrategie schlicht zu viele Prozesse pro Knoten, die mit anderen entfernten Prozessen kommunizieren müssen. CODA realisiert daher eine 2-stufige Parallelisierung, bei der die Bearbeitung einer Domain innerhalb eines MPI-Prozesses durch mehrere CPU-Kerne erfolgen kann. Dieses zusätzliche Parallelisierungsebene ermöglicht CODA eine hoch-parallele Ausführung, welche den effizienten Einsatz auch sehr großer Rechenressourcen erlaubt, was zur Reduktion von Durchlaufzeiten eingesetzt werden kann. In diesem Vortrag werden das CODA-Parallelisierungskonzept sowie einzelne damit demonstrierte Skalierungsergebnisse vorgestellt.