[论文解读] Implementation of Peridynamics utilizing HPX - the C++ standard library for parallelism and concurrency.

Patrick Diehl, Prashant K. Jha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Numerical methods in engineering参考文献 48被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于HPX的非局部动力学（peridynamics）实现，采用EMU节点离散化方法，利用C++标准库中的并发与并行机制，实现了可扩展、模块化且高效的断裂力学模拟。该实现对隐式和显式时间积分方法均表现出收敛性，并与理论预期一致，验证了可扩展性。

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.

研究动机与目标

• 为解决现代超级计算机上非局部动力学模拟的高计算成本问题。
• 基于HPX开发一种可扩展、模块化的实现，以支持异步多任务并行计算。
• 确保隐式与显式时间积分方案的数值收敛性。
• 通过理论性能模型验证代码的可扩展性。
• 支持未来新型材料模型与离散化方法的可扩展性。

提出的方法

• 利用HPX（一个开源C++并发与并行计算标准库）管理任务级并行计算。
• 采用EMU节点离散化方法实现非局部动力学的空间离散化。
• 实现隐式与显式时间积分方案以推进时间步长。
• 设计代码时注重模块化扩展性，以支持未来材料模型与离散化方法的扩展。
• 采用异步任务机制高效处理数据依赖关系与负载均衡。
• 通过收敛性分析与理论可扩展性模型的基准测试验证代码正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HPX能否有效应对非局部动力学模拟的计算需求？
• RQ2 基于HPX的实现是否在隐式与显式时间积分方案下均实现收敛？
• RQ3 该代码的可扩展性是否与理论预期一致？
• RQ4 该实现是否易于扩展以支持新型材料模型或离散化方法？
• RQ5 该实现在分布式系统中扩展时，其精度保持程度如何？

主要发现

• 基于HPX的非局部动力学实现对隐式与显式时间积分方案均表现出收敛性。
• 代码正确恢复了理论解，证实了其数值准确性。
• 显式时间积分结果与先前研究的理论结论高度一致。
• 两项基准测试表明，代码的可扩展性与理论可扩展性估计相符。
• 模块化设计使得向新型材料模型与离散化技术的扩展变得直接简便。
• 该实现有效利用了HPX的异步多任务模型，在现代超级计算架构上实现了高性能。