Third Party Funds Group - Overall project
Acronym: CoMPS
Start date : 01.11.2022
End date : 31.10.2025
Website: http://terraneo.fau.de
Physikalische Fragestellungen werden von der Anwendung diktiert
und führen oft auf unterschiedliche Modellierungsparadigmen. In diesem Antrag
wird einerseits klassische Kontinuumsmechanik genutzt, die zu Eulerschen
Finite-Element-Modellen führt, andererseits lassen sich Transportphänomene
jedoch oft besser mit Lagrangeschen Methoden darstellen, z.B. als Trajektorien
in einem System vieler Teilchen. Die Kopplung dieser unterschiedlichen Modelle
führt zu Herausforderungen in der Mathematik, sowie bei der parallelen
Ausführung. Partikel, die durch das simulierte System wandern, erfordern andere
Parallelisierungsstrategien als gitterbasierte Methoden. Für die parallele
Ausführung in verteiltem Speicher, ist nun eine Co-Partitionierung nötig, damit
die Kopplung weitgehend lokal berechnet werden kann. Die Schwierigkeit
vervielfacht sich, wenn die Last dynamisch neu balanciert werden muss. Mit
diesem Antrag gehen wir noch einen Schritt weiter und berücksichtigen
zusätzlich auch mesoskopische Modelle, wie z.B. die Lattice-Boltzmann-Methode
(LBM), da sie aufgrund ihrer Struktur als explizites Zeitschrittverfahren nur
eine streng lokale Kommunikation benötigt und deshalb im extreme-scale Bereich
besondere Vorteile bietet.
Der Antrag wird folglich eine extreme-scale Kopplung zwischen makroskopischen
(FEM) Modellen, mesoskopischen Modellen (LBM) und partikelbasierten Methoden
breit verfügbar machen. Die Antragsteller sind in der glücklichen Lage, dazu
bereits eigene, hochparallele Software für alle drei Paradigmen zu besitzen:
HYTEG, ein Finite-Elemente-Paket mit optimalen Mehrgitterlösern, WALBERLA, ein
flexibles LBM-Framework, und als Subsystem davon zusätzlich MESAPD, ein
massiv-paralleler, konfigurierbarer Simulator für Vielteilchensysteme und die
Diskrete Element-Methode. Alle drei Programmpakete wurden über mehr als ein
Jahrzehnt lang erfolgreich auf maximale Skalierbarkeit hin entwickelt, so dass
sie beispielsweise mit als erste in den illustren HiQ-Club1 der am besten
skalierbaren Simulationssoftware aufgenommen wurden.
Der neue Antrag zielt darauf ab, auf Basis der bestehenden Software ein
integratives Framework für komplexe multiphsysikalische Kopplungsprobleme zu
entwickeln und die Performanz dessen anhand eines Demonstrators aus der
Geodynamik zu veranschaulichen. Die Erdmantelkonvektion ist dabei eine der
prominenten Grand-Challenge-Anwendungen. Sie erfordert maximale
Computerleistung und damit extreme Skalierbarkeit der Simulationssoftware schon
allein, weil die Vernetzung des Erdmantels mit 1 km Auflösung zu Gittern mit
mehr als 10^{12} Zellen führt. Diese Demonstratoranwendung benötigt darüber
hinaus sowohl die Kopplung zwischen einem quasi-stationären Stokes-Löser,
Transportgleichungen für die Energie und weiteren Größen als auch eine
systematische Behandlung von Datenunsicherheiten in den inversen Problemen.
Methodisch werden dazu neuartige Techniken der Codegenerierung genutzt und
weiter entwickelt. Ein spezieller Fokus liegt auf der Nutzung moderner heterogener
Architekturen durch die systematische Untersuchung von Verfahren mit
reduzierter Genauigkeit und Mixed-Precision-Ansätzen. Dies ist in einen
systematischen Softwareentwicklungsprozess eingebettet, der auf eine
state-of-the-art Performanzmodellierung zurückgreift.
Physikalische Fragestellungen werden von der Anwendung diktiert
und führen oft auf unterschiedliche Modellierungsparadigmen. In diesem Antrag
wird einerseits klassische Kontinuumsmechanik genutzt, die zu Eulerschen
Finite-Element-Modellen führt, andererseits lassen sich Transportphänomene
jedoch oft besser mit Lagrangeschen Methoden darstellen, z.B. als Trajektorien
in einem System vieler Teilchen. Die Kopplung dieser unterschiedlichen Modelle
führt zu Herausforderungen in der Mathematik, sowie bei der parallelen
Ausführung. Partikel, die durch das simulierte System wandern, erfordern andere
Parallelisierungsstrategien als gitterbasierte Methoden. Für die parallele
Ausführung in verteiltem Speicher, ist nun eine Co-Partitionierung nötig, damit
die Kopplung weitgehend lokal berechnet werden kann. Die Schwierigkeit
vervielfacht sich, wenn die Last dynamisch neu balanciert werden muss. Mit
diesem Antrag gehen wir noch einen Schritt weiter und berücksichtigen
zusätzlich auch mesoskopische Modelle, wie z.B. die Lattice-Boltzmann-Methode
(LBM), da sie aufgrund ihrer Struktur als explizites Zeitschrittverfahren nur
eine streng lokale Kommunikation benötigt und deshalb im extreme-scale Bereich
besondere Vorteile bietet.
Der Antrag wird folglich eine extreme-scale Kopplung zwischen makroskopischen
(FEM) Modellen, mesoskopischen Modellen (LBM) und partikelbasierten Methoden
breit verfügbar machen. Die Antragsteller sind in der glücklichen Lage, dazu
bereits eigene, hochparallele Software für alle drei Paradigmen zu besitzen:
HYTEG, ein Finite-Elemente-Paket mit optimalen Mehrgitterlösern, WALBERLA, ein
flexibles LBM-Framework, und als Subsystem davon zusätzlich MESAPD, ein
massiv-paralleler, konfigurierbarer Simulator für Vielteilchensysteme und die
Diskrete Element-Methode. Alle drei Programmpakete wurden über mehr als ein
Jahrzehnt lang erfolgreich auf maximale Skalierbarkeit hin entwickelt, so dass
sie beispielsweise mit als erste in den illustren HiQ-Club1 der am besten
skalierbaren Simulationssoftware aufgenommen wurden.
Der neue Antrag zielt darauf ab, auf Basis der bestehenden Software ein
integratives Framework für komplexe multiphsysikalische Kopplungsprobleme zu
entwickeln und die Performanz dessen anhand eines Demonstrators aus der
Geodynamik zu veranschaulichen. Die Erdmantelkonvektion ist dabei eine der
prominenten Grand-Challenge-Anwendungen. Sie erfordert maximale
Computerleistung und damit extreme Skalierbarkeit der Simulationssoftware schon
allein, weil die Vernetzung des Erdmantels mit 1 km Auflösung zu Gittern mit
mehr als 10^{12} Zellen führt. Diese Demonstratoranwendung benötigt darüber
hinaus sowohl die Kopplung zwischen einem quasi-stationären Stokes-Löser,
Transportgleichungen für die Energie und weiteren Größen als auch eine
systematische Behandlung von Datenunsicherheiten in den inversen Problemen.
Methodisch werden dazu neuartige Techniken der Codegenerierung genutzt und
weiter entwickelt. Ein spezieller Fokus liegt auf der Nutzung moderner heterogener
Architekturen durch die systematische Untersuchung von Verfahren mit
reduzierter Genauigkeit und Mixed-Precision-Ansätzen. Dies ist in einen
systematischen Softwareentwicklungsprozess eingebettet, der auf eine
state-of-the-art Performanzmodellierung zurückgreift.