KONWIHR Project gridlib

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gridlib: Simulation and Visualization of large Amounts of Data

Project summary

Moderne Höchstleistungsrechner, wie die Hitachi SR-8000 ermöglichen die Berechnung von technischen und wissenschaftlichen Aufgaben mit einer Geschwindigkeit und Genauigkeit, die derzeit in Europa einmalig ist. Dies wird durch die Rechenleistung von 1 TFlops und einem Hauptspeicherausbau von 1 TByte ermöglicht, mit dem Rechengitter mit mehr als einer Milliarde Stützstellen realisiert werden können. Voraussetzung hierfür ist aber nicht nur die Verfügbarkeit des entsprechenden Arbeitsspeichers und der Rechenleistung und der numerischen Verfahren und Algorithmen. Es ist vielmehr notwendig, bereits im Vorfeld der eigentlichen Simulation sowie der Auswertung der erzeugten Daten neue Technologien und Ideen zu verwenden, um die gigantischen Datenmengen, die auf einem derartigen Computer erzeugt werden, managen zu können.

Für die Lösung der diskretisierten Gleichungen sind in den letzten Jahren durch den breiten Einsatz von Mehrgitterverfahren wesentliche Fortschritte erreicht worden, so dass nun zunehmend auch das sog. Pre- und Postprocessing zu einem Flaschenhals werden. Für praktische technische Anwendungen ist es erforderlich, Rechengittern basierend z.B. auf CAD Daten zu generieren, die Gitter für Computer mit verteiltem Speicher zu erzeugen und zu partitionieren, die Lastverteilung während der Rechnung mit adaptiven Verfahren, speziell bei instationären Rechnungen zu erhalten, große Datenmengen zu visualisieren.

Für Simulationen der anvisierten Größenordnung treten dabei völlig neue Probleme auf. Ein Datenvolumen von 1 TByte wird bei kaum einem Anwender vor Ort gespeichert werden können, und noch viel weniger kann man davon ausgehen, daß die derzeit verfügbaren Softwaretools etwa zur Gittergenerierung oder Visualisierung mit derartigen Datenmengen zurecht kommen werden. Aus solchen Überlegungen heraus ist klar, daß die Verwendung der SR-8000 in Kombination mit dem konventionellen Pre- und Postprocessing der Daten auf einer lokalen Workstation beim Anwender nicht funktionieren kann und neue Vorgehensweisen gefunden werden müssen.

Ein Ausweg aus dieser unbefriedigenden Situation besteht nun darin, die Idee der hierarchischen Gitter konsequent nicht nur auf der Ebene der Gleichungslöser, sondern als Grundlage für den gesamten Simulationsprozeß zu verwenden.

Im Rahmen von abgeschlossenen Projekten wurden am LSTM Erlangen und am LGDV Erlangen die Grundlagen für diese Vorgehensweise (gridlib) gelegt. Der weitere Ausbau soll im Rahmen von KONWIHR erfolgen mit dem Ziel, diese Softwareinfrastruktur für die SR-8000 zu optimieren und für weitere Benutzer der SR-8000 und vergleichbare Höchstleistungsrechner zur Verfügung zu stellen, in die spezifische Problemlösungen aus anderen Bereichen eingefügt werden sollen. Damit würde KONWIHR und darüberhinaus anderen Gruppen ein Werkzeug zur Verfügung stehen, das eine deutlich effizientere und schnellere Realisierung von anspruchsvollen Softwareprojekten ermöglicht.

KONWIHR funding and follow-up projects

  • KONWIHR funding: 11/2000-10/2003

Contact:

  • Prof. U. Rüde, Lehrstuhl für Systemsimulation; Universität Erlangen-Nürnberg

Selected publications

  • C. Freundl, T. Gradl, U. Rüde: Towards petascale multilevel finite-element solvers, Algorithms and Applications (Ed: M. Bader, A. David), Chapman, (2008), pp. 375-389.
  • H. Köstler: A Multigrid Framework for Variational Approaches in Medical Image Processing and Computer Vision, Dissertation, Technische Fakultät, Universität Erlangen-Nürnberg, (2008). External link: E-Diss
  • M. Stürmer, H. Köstler, U. Rüde: A fast full multigrid solver for applications in image processing, Numerical Linear Algebra with Applications, 15:(2-3) (2008) 187-200. External link: DOI: 10.1002/nla.563
  • B. Bergen, G. Wellein, F. Hülsemann, U. Rüde: Hierarchical hybrid grids: achieving TERAFLOP performance on large scale finite element simulations, International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 22:(4) (2007) 311-329. External link: DOI: 10.1080/17445760701442218
  • B. Bergen, F. Hülsemann, U. Rüde: Is 1.7x10^10 Unknowns the largest finite element system that can be solved today?, Supercomputing, 2005. Proceedings of the ACM/IEEE SC 2005 Conference (Supercomputing Conference '05, Seattle, 12. - 18. Nov. 2005) (Ed: ACM/IEEE), (2005). External link: DOI: 10.1109/SC.2005.38
  • F. Hülsemann, M. Kowarschik, M. Mohr, U. Rüde: Parallel geometric multigrid, Numerical Solution of Partial Differential Equations on Parallel Computers (Ed: A.M. Bruaset, A. Tveito), Springer (Berlin, Heidelberg), LNCSE 51 (2005) 165-208.
  • M. Kowarschik: Data Locality Optimizations for Iterative Numerical Algorithms and Cellular Automata on Hierarchical Memory Architectures, Dissertation, Technische Fakultät, Universität Erlangen-Nürnberg, (2004).
  • M. Mohr: Simulation of Bioelectric Fields: The Forward and Inverse Problem of Electro-encephalographic Source Analysis, Dissertation, Technische Fakultät, Universität Erlangen-Nürnberg, (2003).