Porting of an Atmospheric Chemistry Solver to Parallel CPU-GPU Execution
Els Models del Sistema Terrestre (ESMs) són crucials per a comprendre el canvi climàtic, ja que brinden informació valuosa sobre fenòmens i sistemes del món real, amb nombroses aplicacions en ciència i enginyeria. No obstant això, la comunitat científica requereix una major potència computacional pe...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/693090 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/693090 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Informàtica d'alt rendiment High-Performance Computing Computación de alto rendimient GPU Models climàtics químics Chemistry Climate models Modelos climáticos químicos Tecnologies 004 |
| Sumario: | Els Models del Sistema Terrestre (ESMs) són crucials per a comprendre el canvi climàtic, ja que brinden informació valuosa sobre fenòmens i sistemes del món real, amb nombroses aplicacions en ciència i enginyeria. No obstant això, la comunitat científica requereix una major potència computacional per a reduir les incerteses en aquests models. S'estan aconseguint avanços significatius mitjançant la transició a sistemes informàtics heterogenis que combinen Unitats Centrals de Processament (CPUs) i Unitats de Processament Gràfic (GPUs). Aquests models es poden accelerar notablement mitjançant l'optimització dels components que consumeixen més temps, com la química, així reduint les incerteses i millorant la nostra comprensió de la dinàmica climàtica. L'objectiu principal d'aquesta tesi és millorar el rendiment dels solucionadors de química en models atmosfèrics mitjançant el desenvolupament de solucions eficients adaptades a arquitectures heterogènies basades en GPU. Específicament, la tesis es centra en maximitzar el rendiment de la GPU, millorar la precisió, garantir la portabilitat i minimitzar l'esforç de desenvolupament mitjançant la realització de modificacions menors al solucionador de química existent. La contribució fonamental d'aquesta tesi és el desenvolupament d'una versió CPU-GPU del solucionador de química CAMP per al model atmosfèric MONARCH, aconseguint una acceleració significativa. A més, el solver químic desenvolupat es pot adaptar fàcilment per a resoldre sistemes genèrics d'Equacions Diferencials Ordinàries (ODE) a la GPU, gràcies a la seva similitud amb la llibreria CVODE utilitzada per al solver CPU de CAMP. El codi font obert s'ha publicat com una actualització de CAMP per a facilitar la portabilitat. Les principals contribucions inclouen un mètode per integrar fàcilment codi GPU als solucionadors de química (Multi-cells), distribuir la càrrega computacional entre els processos de la GPU (Block-cells) i un algoritme d'equilibri de càrrega automàtic per a l'execució concurrent de la CPU i la GPU. Particularment, l'algoritme d'equilibri de càrrega automàtic està dissenyat per ésser simple, garantint la portabilitat i oferint una execució accelerada. A més, s'ha desenvolupat un solucionador lineal de GPU seguint l'enfocament Block-cells, la qual cosa permet una major exploració de Block-cells en solucionadors iteratius i facilita l'acoblament amb altres sistemes, una consideració important donat l'ús generalitzat de solucionadors lineals en les comunitats científiques i matemàtiques. Els resultats demostren una acceleració de 250x en comparació amb la versió de CPU d'un sol procés utilitzant quatre GPU en un sol node. En una comparació de node a node, utilitzant quatre GPU enfront de 80 nuclis de CPU, l'acceleració obtinguda és de 8,14x. Normalitzant els nuclis utilitzats enfront d'altres solucions d'última generació, l'acceleració és de 16x. L'acceleració substancial aconseguida amb canvis algorítmics mínims subratlla l'importància de les noves estratègies desenvolupades en aquesta tesi. |
|---|