[논문 리뷰] Neko: A Modern, Portable, and Scalable Framework for High-Fidelity Computational Fluid Dynamics

Niclas Jansson, Martin Karp외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 02.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

Neko는 최신 CPU부터 FPGA에 이르기까지 다양한 하드웨어에서 이식 가능하고 확장 가능하며 고성능임과 동시에 고정밀도 유체역학 시뮬레이션(CFD)을 위한 현대적이고 객체지향적인 프레임워크이다. 이 프레임워크는 최신 CPU에서 NekRS 및 Nek5000와 유사한 성능와 정확도를 달성하면서도, 신규 아키텍처를 위한 다층 추상화와 통합된 성능 모델을 지원한다.

ABSTRACT

Recent trends and advancement in including more diverse and heterogeneous hardware in High-Performance Computing is challenging software developers in their pursuit for good performance and numerical stability. The well-known maxim "software outlives hardware" may no longer necessarily hold true, and developers are today forced to re-factor their codebases to leverage these powerful new systems. CFD is one of the many application domains affected. In this paper, we present Neko, a portable framework for high-order spectral element flow simulations. Unlike prior works, Neko adopts a modern object-oriented approach, allowing multi-tier abstractions of the solver stack and facilitating hardware backends ranging from general-purpose processors down to exotic vector processors and FPGAs. We show that Neko's performance and accuracy are comparable to NekRS, and thus on-par with Nek5000's successor on modern CPU machines. Furthermore, we develop a performance model, which we use to discuss challenges and opportunities for high-order solvers on emerging hardware.

연구 동기 및 목표

• CFD를 위한 고성능 계산에서 증가하는 하드웨어 이질성 문제를 해결하기 위해 이식 가능하고 확장 가능한 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 특정 하드웨어에 밀접하게 결합되어 있으며 확장하기 어려운 전통적 CFD 코드의 한계를 극복하기 위해.
• CPU, 벡터 프로세서, FPGA를 포함한 다양한 백엔드로의 원활한 이식을 지원하는 현대적이고 객체지향적인 프레임워크를 설계하기 위해.
• 최신 하드웨어에서 NekRS 및 Nek5000와 같은 생산 수준의 솔버와 동등한 수준의 수치 정확도와 성능를 확보하기 위해.
• 미래의 아키텍처에서 고차수 솔버를 위한 최적화 기회를 안내하고 식별할 수 있는 성능 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 솔버 스택 전반에 걸쳐 다층 추상화를 가능하게 하기 위해 현대적 객체지향 설계를 채택하여 알고리즘 로직과 하드웨어 특화 구현을 분리하기 위해.
• 일관된 소프트웨어 스택을 통해 일반 목적 프로세서, 벡터 유닛, FPGA를 포함한 이질적 백엔드를 추상화 계층을 통해 지원하기 위해.
• 고정밀도 유동 시뮬레이션을 위해 고차수 스펙트럼 요소 방법을 활용하여 고차수 정확도와 기하학적 유연성을 확보하기 위해.
• 메모리 대역폭, 산술 밀도, 데이터 국소성 기반의 성능 모델을 설계하여 다양한 하드웨어 플랫폼 간 최적화를 안내하기 위해.
• 약한 결합 및 강한 결합된 PDE 시스템을 효율적으로 표현하기 위해 코드 생성 및 도메인 특화 추상화를 사용하기 위해.
• 스펙트럼 요소 프레임워크 내에서 잘 조절된 약한 형태와 보존적인 이산화를 통해 수치적 안정성과 정확도를 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성능나 정확도를 희생시키지 않고도 다양한 이질적 하드웨어를 지원할 수 있는 현대적이고 이식 가능한 CFD 프레임워크는 어떻게 아키텍처화할 수 있는가?
• RQ2 CFD 프레임워크에서 객체지향 추상화는 CPU, 벡터 프로세서, FPGA 간의 이식성을 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ3 미래의 하드웨어 플랫폼에서 고차수 스펙트럼 요소 솔버의 동작을 가장 잘 기술하는 성능 모델은 무엇인가?
• RQ4 현대 CPU 아키텍처에서 Neko의 성능와 정확도는 NekRS 및 Nek5000와 같은 기존 솔버와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이질적이고 가속화된 시스템에서 고차수 CFD 솔버의 주요 성능 저하 요인과 최적화 기회는 무엇인가?

주요 결과

• Neko는 최신 CPU 하드웨어에서 NekRS 및 Nek5000와 유사한 성능와 정확도를 달성하여 생산 수준의 대안으로서의 타당성을 입증하였다.
• 이식 가능하고 추상화 중심의 설계 덕분에 Neko는 CPU, 벡터 프로세서, FPGA를 포함한 여러 하드웨어 백엔드를 성공적으로 지원한다.
• 개발된 성능 모델은 메모리 대역폭과 산술 밀도와 같은 주요 성능 저하 요인을 효과적으로 식별하여 향후 최적화를 안내한다.
• 객체지향 추상화 계층은 효율적인 코드 생성과 커널 특화를 통해 낮은 수준의 성능를 유지하면서도 유지보수성과 확장성을 확보한다.
• Neko의 설계는 고차수 정확도와 기하학적 유연성을 제공하여 고정밀도 CFD 시뮬레이션에 필수적인 요소를 확보한다.
• 프레임워크는 현대적 소프트웨어 공학 기법이 고성능 수치 방법과 효과적으로 융합되어 진화하는 HPC 워크로드를 지원할 수 있음을 보여준다.