[논문 리뷰] Implementation of Peridynamics utilizing HPX - the C++ standard library for parallelism and concurrency.

Patrick Diehl, Prashant K. Jha외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 18.

Numerical methods in engineering참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 C++ 표준 라이브러리를 동시성 및 병렬 처리에 활용하여 확장성 있고 모듈화된 효율적인 균열역학 시뮬레이션을 가능하게 하는 HPX 기반의 페르디나믹스 구현을 제시한다. 이 구현은 암시적 및 명시적 시간 적분에 대해 수렴성을 보이며 이론적 기대에 부합하는 확장성을 검증한다.

ABSTRACT

Peridynamics is a non-local generalization of continuum mechanics tailored to address discontinuous displacement fields arising in fracture mechanics. As many non-local approaches, peridynamics requires considerable computing resources to solve practical problems. Several implementations of peridynamics utilizing CUDA, OpenCL, and MPI were developed to address this important issue. On modern supercomputers, asynchronous many task systems are emerging to address the new architecture of computational nodes. This paper presents a peridynamics EMU nodal discretization implementation with the C++ Standard Library for Concurrency and Parallelism (HPX), an open source asynchronous many task run time system. The code is designed for modular expandability, so as to simplify it to extend with new material models or discretizations. The code is convergent for implicit time integration and recovers theoretical solutions. Explicit time integration, convergence results are presented to showcase the agreement of results with theoretical claims in previous works. Two benchmark tests on code scalability are applied demonstrating agreement between this code's scalability and theoretical estimations.

연구 동기 및 목표

• 현대 슈퍼컴퓨터에서 페르디나믹스 시뮬레이션의 높은 계산 비용을 해결하기 위해.
• 비동기 다수 작업 병렬 처리를 위한 HPX를 사용한 확장성 있고 모듈화된 구현을 개발하기 위해.
• 암시적 및 명시적 시간 적분 방법 모두에 대해 수치 수렴성을 확보하기 위해.
• 이론적 성능 모델에 기반한 코드의 확장성 검증을 위해.
• 새로운 재료 모델과 메쉬 이산화 방법을 쉽게 확장할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 작업 수준의 병렬 처리를 관리하기 위해 동시성 및 병렬 처리를 위한 오픈소스 C++ 표준 라이브러리인 HPX를 사용한다.
• 페르디나믹스의 공간 이산화에 EMU 노드 이산화를 적용한다.
• 시간 진전을 위해 암시적 및 명시적 시간 적분 방법을 모두 구현한다.
• 향후 재료 모델 및 이산화 방법의 확장을 지원하기 위해 모듈화된 확장 가능성을 설계한다.
• 데이터 의존성과 로드 밸런싱을 효율적으로 처리하기 위해 비동기 작업 처리를 활용한다.
• 이론적 확장성 모델에 대한 벤치마킹과 수렴성 분석을 통해 정확성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HPX는 페르디나믹스 시뮬레이션의 계산 요구 사항을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ2 HPX 기반 구현은 암시적 및 명시적 시간 적분 모두에서 수렴성을 달성하는가?
• RQ3 코드의 확장성은 이론적 기대와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 이 구현은 새로운 재료 모델이나 이산화 방법을 쉽게 확장할 수 있는가?
• RQ5 분산 시스템을 통해 확장할 때 정확성은 어느 정도 유지되는가?

주요 결과

• HPX 기반의 페르디나믹스 구현은 암시적 및 명시적 시간 적분 방법 모두에서 수렴성을 달성한다.
• 코드는 이론적 해를 정확히 복원하여 수치 정확성이 확인된다.
• 명시적 시간 적분 결과는 이전 연구에서 제시된 이론적 주장과 높은 일치를 보인다.
• 두 가지 벤치마크 테스트는 코드의 확장성이 이론적 확장성 추정치와 일치함을 확인한다.
• 모듈화된 설계 덕분에 새로운 재료 모델과 이산화 기법으로의 확장이 간편하다.
• 이 구현은 현대 슈퍼컴퓨팅 아키텍처에서 고성능을 달성하기 위해 HPX의 비동기 다수 작업 모델을 효과적으로 활용한다.