Schnelle Berechnung des Infrarot-Strahlungstransports in der Atmosphäre durch Prozess-Parallelisierung auf der Grafikkarte

Abstract

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht neben zahlreichen Schwerpunkten auf dem Gebiet der optischen Fernerkundung. Von großer Bedeutung ist hierbei die Atmosphäre. Sie wird einerseits als Messobjekt betrachtet (Bestimmung der Konzentration von Spurengasen). Andererseits als Medium, in dem Strahlungsausbreitung statt findet und somit im Sinne einer Störgröße die optische Messung beeinflusst. In beiden Fällen wird die Wirkung der Atmosphäre durch die Strahlungstransportgleichung beschrieben. Deren rechenintensive und zeitaufwändige Lösung gilt es zu optimieren. Der hier vorgestellte Optimierungsansatz basiert auf starker Parallelisierung und Auslagerung von Teilberechnungen auf Grafikprozessoren. Aktuelle Grafikkarten besitzen über 16 Multiprozessoren mit je acht Kernen. Diese Rechenleistung wird durch Nvidias Schnittstelle Compute Unified Device Architecture (CUDA) auch für nicht-Grafik-Anwendungen nutzbar. Durch eine Kombination aus der Numerikbibliothek Compute Unified Basic Linear Algebra Subprograms (CUBLAS) sowie eigenen Implementierungen ist mit dieser Technik ein schneller Algorithmus realisierbar. Abschließende Anwendungstests beweisen die Effizienz des entwickelten Programms: Im direkten Vergleich zu herkömmlichen Intel-Prozessoren lassen sich die ausgelagerten Teilbereiche bis zu 100-mal schneller berechnen. Numerische Genauigkeitsdefizite treten dank Unterstützung von doppelter Genauigkeit bei Gleitkommazahlen nicht auf. Die gewonnenen Erkenntnisse ermutigen, weitere Programmteile - insbesondere die Vorberechnungen - auf die Grafikprozessoren auszulagern. Weitere vergleichbare Folgeprojekte sind geplant.