Schválené projekty 2016

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2016

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 896 914 Kč

Z toho 2.5% - 1 397 423 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 270 231
EKF  4 459 400
FAST  2 765 016
FS  9 344 371
FEI 13 781 413
HGF  5 130 549
FMMI  7 000 000
VC 10 748 511
CELKEM 54 499 491

KódSP2016/113
Název projektuEfektivní implementace metody hraničních prvků II
ŘešitelMerta Michal Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2016 - 31.12.2016
Předmět výzkumuNázev: Efektivní implementace metody hraničních prvků II.
Požadavek na dotaci: 324.444,0
Odpovědný řešitel projektu: Ing. Michal Merta

Členové řešitelského týmu: Ing. Michal Merta, Ing. Jan Zapletal, Ing. Lukáš Malý, Ing. Michal Kravčenko (+ Mgr. student 12 studento měsíců)
Období řešení projektu: 1.1.2016-31.1.2016

Předmět výzkumu v rámci projektu:

Předmět výzkumu v rámci projektu
1. Anotace

Projekt navazuje na projekt SP2015/160 a jeho cílem je dále rozvíjet existující knihovnu paralelních řešičů založených na metodě hraničních prvků BEM4I. V rámci předchozího projektu byla daná knihovna z velké části akcelerována pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi, což doplnilo již existující a funkční paralelizaci pomocí OpenMP a MPI. Numerické experimenty na superpočítači Salomon prokázaly významné zrychlení oproti neakcelerovanému kódu. Výsledky této práce byly publikovány na prestižních mezinárodních konferencích, uznávaných sbornících a časopisech s impakt faktorem. Byl rovněž vytvořen interface mezi knihovnou BEM4I a knihovnou ESPRESO, vyvíjenou na IT4Innovations Národním superpočítačovém centru, což umožnilo použít metodu rozložení BETI k řešení rozsáhlých úloh lineární elasticity. Cílem aktuálního projektu je dále rozšířit akceleraci pomocí koprocesorů na sestavovače matic zředěných pomocí metody ACA (adaptive cross approximation) a rozšířit spolupráci s knihovnou ESPRESO. Dílčím cílem projektu bude rovněž paralelizace v distribuované paměti pomocí nové metody založené na dekompozicích grafů.

2. Složení týmu

Odborný garant: Ing. Michal Merta

Členové týmu: Ing. Jan Zapletal, Ing. Lukáš Malý, Ing. Michal Kravčenko

Odborný garant a členové týmu se v uplynulých třech letech podíleli na řešení několika národních a mezinárodních projektů včetně projektu SPOMECH, mezinárodních projektů PRACE, 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, SP2015/160, SP2015/100) a jsou úspěšnými žadateli o výpočetní čas v interní soutěži IT4Innovations.

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:

Veit, A.; Merta, M.; Zapletal, J.; Lukáš, D. Efficient solution of time-domain boundary integral equations arising in sound-hard scattering. Accepted to International Journal for Numerical Methods in Engineering. IF 2,055 (Q1)
Bandara, K., Cirak, F., Of, G., Steinbach, O., Zapletal, J. Boundary element based multiresolution shape optimisation in electrostatics. Journal of Computational Physics 297, Elsevier 2015, IF 2,434 (Q1)
Merta, M.; Zapletal, J. Acceleration of boundary element method by explicit vectorization. Advances in Engineering Software 86, Elsevier 2015, IF 1,402 (Q2)
Lukáš, D., Kovář, P., Kovářová, T., Merta, M. A parallel fast boundary element method using cyclic graph decompositions. Numerical Algorithms 70, Springer 2015. IF 1,417 (Q1)
Čermák, M.; Hapla, V., Horák; D., Merta, M.; Markopoulos, A. Total-FETI domain decomposition method for solution of elasto-plastic problems. Advances in Engineering Software 84, Elsevier 2015. IF 1,402 (Q2)
Merta, M.; Zapletal, J. & Jaroš, J. Many core acceleration of the boundary element method Lecture Notes in Computer Science, LNCS, Springer. Accepted.
Čermák, M.; Merta, M.; Zapletal, J. A novel boundary element library with applications. AIP Conf. Proc. 1648, 830010, 2015.
Merta, M.; Vašatová, A.; Hapla, V.; Horák, D. Parallel implementation of Total-FETI DDM with application to medical image registration. Lecture Notes in Computer Science and Engineering 98, Springer 2014.
Zapletal, J., Bouchala, J. Effective semi-analytic integration for hypersingular Galerkin boundary integral equations for the Helmholtz equation in 3D. Applications of Mathematics 59, ASCR 2014. IF 0,147 (Q4)

Členové týmu jsou autory regitrovaného software BEMGen. Odborný garant je držitelem Ceny Josepha Fouriera za rok 2015.

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). V článku Lukáš, Kovář, Kovářová, Merta: A parallel fast boundary element method using cyclic graph decompositions (Numerical Algorithms, 2015) byla představena nová metoda distribuce systémové matice mezi MPI procesy (uzly clusteru), kterou plánujeme implementovat do knihovny a rozšířit o podporu nekonstantních bázových funkcí. V rámci spolupráce s balíkem ESPRESO budou v této knihovně dále implementovány smíšené konečné prvky vyšších řádů (TDNNS - Tangential Displacements and Normal-Normal Stresses). Jedná se o konečné prvky vhodné k aproximaci prostorů H(div div) a H(rot) a lze je využít pro řešení úloh elasticity tenkých desek či vedení tepla. Využití naleznou také v úlohách vibroakustiky, které je vhodné řešit pomící couplingu FEM-BEM.

Hlavními cíli projektu jsou tedy následující rozšíření funkcionality knihovny BEM4I:
- akcelerace sestavení zředěných ACA matic pomocí vektorizace s využitím instrukční sady procesorů Haswell a koprocesorů Intel Xeon Phi
- implementace paralalelizace založené na cyklické dekompozici grafů
- implementace TDNNS prvků v knihovně ESPRESO
- další prohlubování spolupráce s knihovnou ESPRESO, optimalizace metody rozložení oblasti BETI a masivně paralelní testy

Očekávané publikace
- 2 články v časopise s impakt faktorem
- Články ve sbornících mezinárodních a tuzemských konferencí
Členové řešitelského týmuIng. Marek Klemenc
Ing. Michal Kravčenko
Ing. Lukáš Malý
Ing. Michal Merta, Ph.D.
Ing. Ondřej Vysocký
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. Další možnosti paralelizace nabízí propojení s knihovnou ESPRESO, které umožní řešit rozsáhlé inženýrské problémy zejména z oblasti elasticity pomocí metody rozložení oblastí.

5. Postup řešení a časový harmonogram

Knihovna BEM4I je založena na C++ a využívá moderních prostředků objektově orientovaného programování. Díky tomu je relativně snadno rozšiřitelná o další funkcionalitu. Během její další optimalizace jsme se na základě dosavadní zkušenosti s výkonem rozhodli využít zejména Intel Compiler. Vektorizace a akcelerace na koprocesorech tedy bude implementována pomocí jeho prostředků (pragma simd, pragma offload atd.). K optimalizaci bude použit mj. nástroj Intel VTune Amplifier.

Časový harmonogram:
Q1 2016
Implementace TDNNS prvků v knihovně ESPRESO.
Q2 2016
Akcelerace sestavení zředěných ACA matic pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi.
Q3 2016
Paralelizace pomocí cyklické dekompozice grafů. Publikování výsledků akcelerace na koprocesorech Xeon Phi v časopise s IF.
Q4 2016
Publikování výsledků masivně paralelní implementace pomocí BETI ve spolupráci s knihovnou ESPRESO v časopise s impakt faktorem.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia24000,-24000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek30000,-28587,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady117900,-119313,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory19100,-19100,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady191000,-
Uznané náklady191000,-
Celkem běžné finanční prostředky191000,-191000,-