Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/160
Název projektuEfektivní implementace metody hraničních prvků
ŘešitelŘíha Lubomír Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumu1. Anotace

Cílem projektu je další rozvoj existující softwarové knihovny BEM4I pro paralelní řešení inženýrských úloh pomocí metody hraničních prvků. Knihovna BEM4I je vyvíjena již více než rok a půl a v současné době podporuje paralelní řešení Laplaceovy, Helmholtzovy a časově závislé vlnové rovnice. Umožňuje tak aplikace např. v oblasti modelování šíření tepla, zvuku či elektromagnetického vlnění, ale i v oblasti tvarové optimalizace. Významná část kódu je s využitím externích knihoven akcelerována pomocí explicitní vektorizace. Protože dosavadní numerické experimenty prokazují značnou efektivitu takto vektorizovaného kódu, je jedním z dílčích cílů projektu rozšířit vektorizaci i na další dosud sekvenční části knihovny. Kód bude testován a optimalizován nejen pro současnou architekturu clusteru Anselm, ale zejména pro architekturu clusteru Salomon, který bude dodán v průběhu roku 2015. Vzhledem k plánované akceleraci výpočetních uzlů clusteru Salomon pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi bude jedním z cílů také studium jejich možného využití pro další urychlení metody hraničních prvků.


2. Složení týmu

Odborný garant: Ing. Lubomír Říha, Ph.D.

Členové týmu: Ing. Michal Merta, Ing. Jan Zapletal, Ing. Lukáš Malý, Ing. Martin Stachoň

Odborný garant a členové týmu se v uplynulých třech letech podíleli na řešení několika národních a mezinárodních projektů včetně projektu SPOMECH, mezinárodních projektů PRACE a EXA2CT, grantu TAČR a grantu Moravskoslezského kraje a mezinárodního projektu Evropské unie CASOPT ve spolupráci s firmou ABB a TU Graz. Podíleli se také na řešení několika SGS zaměřených na paralelní řešení náročných inženýrských úloh (SP2014/204, SP2013/191, SP2012/187) a jsou úspěšnými žadateli o výpočetní čas v interní soutěži IT4Innovations.

Odborný garant týmu má zkušenosti z pobytů na zahraničních institucích včetně NASA Goddard Space Flight Center, Stanford University či George Washington University, USA.

Členové týmu mají zkušenosti s vývojem paralelních aplikací a jejich provozem na nejvýkonnějších evropských superpočítačích (včetně Tier-0 a Tier-1 systémů, např. HECToR a CURIE). Zúčastnili se několika stáží (např. TU Graz, TU Vídeň, EPCC) či sezonních škol na zahraničních institucích (např. PRACE Spring School 2011, EPCC, Skotsko; PRACE Autumn School 2013, Lublaň, Slovinsko).

Garant a členové týmu jsou spoluautory několika impaktovaných publikací zabývajících se paralelním počítáním nebo metodou hraničních prvků přijatých k publikaci během posledních tří roků a publikací ve sbornících ze zahraničních konferencí indexovaných v databázi SCOPUS:

Čermák, M., Hapla, V., Horák, D., Merta, M., Markopoulos, A. Total-FETI domain decomposition method for solution of elasto-plastic problems. Přijato k publikování v Advances in Engineering Software. IF 1,422

Lukáš, D., Kovář, P., Kovářová, T., Merta, M. A parallel fast boundary element method using cyclic graph decompositions. Přijato k publikování v Numerical Algorithms. IF 1,005.

Schneible, J., Říha, L., Malik, M., El-Ghazawi, T., Alexandru, A. Communication efficient work distributions in stencil operation based applications, Concurrency and Computation: Practice and Experience. IF 0,784.

Zapletal, J., Bouchala, J. Effective semi-analytic integration for hypersingular Galerkin boundary integral equations for the Helmholtz equation in 3D. Přijato k publikování v Applications of Mathematics. IF 0,147.

Merta, M., Vašatová, A., Hapla, H., Horák, D. Parallel implementation of total-FETI DDM with application to medical image registration. Lecture Notes in Computational Science and Engineering.

Členové týmu jsou spoluautory registrovaných softwarů BEMGen a MULTIDYN.


3. Cíle projektu a očekávané výstupy

Metoda hraničních prvků (BEM) je jednou z numerických metod pro řešení parciálních diferenciálních rovnic. Její hlavní výhodou je redukce problému na hranici výpočetní oblasti. Protože je třeba diskretizovat pouze hranici oblasti, je metoda vhodná zejména pro modelování problémů na neomezených doménách (odrazy akustického či elektromagnetického vlnění) či tvarovou optimalizaci. Nevýhodou metody je její kvadratická výpočetní a paměťová náročnost. Pro řešení reálných úloh je třeba využít některou z tzv. fast BEM metod, které aproximují systémové matice maticemi nižších řádů. V knihovně BEM4I v současnosti používáme aproximaci pomocí metody ACA (pro Laplaceovu a Helmholtzovu rovnici) a FMM (pro Laplaceovu rovnici). K dalšímu urychlení výpočtu využíváme v případě Laplaceovy a Helmholtzovy rovnice explicitní vektorizaci numerické kvadratury a paralelizaci pomocí OpenMP. Diskretizace hraničních operátorů pro časově závislou vlnovou rovnici je hybridně paralelizována pomocí OpenMP a MPI (škálovatelnost byla na clusteru Anselm testována do 1024 procesorů). Numerická kvadratura pro časově závislou vlnovou rovnici v současnosti není vektorizována. Hlavními cíli projektu jsou následující rozšíření funkcionality knihovny BEM4I:

• Implementovat vektorizaci numerické kvadratury pro časově závislou vlnovou rovnici.
• Testovat a optimalizovat kód pro výpočty na clusteru Salomon s využitím procesorů Haswell a instrukční sady AVX2 .
• Prostudovat možnost akcelerace metody hraničních prvků pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi.
• Implementovat FEM-BEM coupling pro řešení reálných úloh akustiky.

Očekávané publikace:
• 2 články v časopise s IF
• Články ve sbornících mezinárodních a tuzemských konferencí

Členové řešitelského týmuIng. Lukáš Malý
Ing. Michal Merta, Ph.D.
Ing. Lubomír Říha, Ph.D.
Ing. Martin Stachoň
Ing. Jan Zapletal, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)4. Impakt projektu

Význam navrhovaného projektu zasahuje jak do teoretické tak aplikační sféry. V knihovně BEM4I jsou implementovány nové metody diskretizace a paralelizace časově závislé vlnové rovnice. Knihovna rovněž obsahuje modul unikátně propojující metodu hraničních prvků s tvarovou optimalizací založenou na tvarovém gradientu a metodě hierarchický povrchů („subdivision surfaces“). Díky akceleraci a paralelizaci hraničně-prvkových výpočtů bude možné využít tyto nové metody při řešení reálných inženýrských problémů z oblasti šíření zvuku či úloh tvarové optimalizace.


5. Postup řešení a časový harmonogram

Knihovna BEM4I je založena na C++ a využívá moderních prostředků objektově orientovaného programování. Výpočetně nejnáročnější částí hraničně-prvkových výpočtů je vyčíslení singulárních integrálů přes dvojice hraničních elementů. V současné implementaci je proto sestavení systémových matic pro Laplaceovu a Helmholtzovu rovnici akcelerováno pomocí explicitní vektorizace s využitím knihovny Vc. V průběhu roku bude stejný postup aplikován i na diskretizaci hraničně-prvkových operátorů příslušných časově závislé vlnové rovnici.

Časový harmonogram:

Q1 2015:
Testování současného vektorizovaného kódu pro Laplaceovu a Helmholtzovu rovnici na clusteru Anselm a publikace výsledků v časopise s IF.

Vektorizace numerické kvadratury pro časově závislou vlnovou rovnici. Publikace zaměřená na paralelní řešení Neumannovy úlohy pro vlnovou rovnici v časopise s IF.

Q2 2015:
Implementace FEM-BEM coupling pro řešení reálných úloh akustiky (s využitím komerčního FEM řešiče a následně paralelních in-house knihoven ESPRESO či FLLOP).

Q3-Q4 2015 (v závislosti na termínu dodání clusteru Salomon):
Testování a optimalizace knihovny na novém clusteru Salomon, testování na procesorech Haswell s instrukční sadou AVX2.

Studium možné akcelerace knihovny pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi. Základní testy na clusteru Salomon

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
13400,-13400,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)10000,-10000,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti3400,-3400,-
2. Stipendia48000,-48000,-
3. Materiálové náklady0,-5620,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek12000,-6364,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady88600,-88616,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory18000,-18000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady180000,-
Uznané náklady180000,-
Celkem běžné finanční prostředky180000,-180000,-