Simulationsmethoden im Brandschutz

und in der Gefahrenabwehr

Projekt CFD-GPU

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Ein von der INURI initiiertes Forschungsprojekt mit dem Bereich Scientific Computing des Fachbereichs Mathematik und Informatik der Freien Universität Berlin.

Projektzeitraum: 2010 - 2011

Projektbeteiligte:

  • FuE-Bereich INURI GmbH
  • Herr Scharfenberg aus der Arbeitsgruppe von Professor Klein
    Freie Universität Berlin Fachbereich Mathematik & Informatik

1. Projektinhalt

Bei der sicherheitstechnischen Auslegung von Gebäuden und Verkehrseinrichtungen werden zunehmend Strömungssimulationen zur Vorhersage der Ausbreitung giftiger Gase im Falle eines Brandes oder Terror-anschlags notwendig. Derartige numerische Simulationen sind sehr aufwendig und erfordern immense und teure Rechenkapazitäten.

Im Grafikkartenbereich entwickelte sich in den letzten Jahren eine neue leistungsfähige Rechentechnologie für die Darstellung von Graphen. Eine Nutzung dieser sogenannten GPU Technologie für die numerische Strömungssimulationen könnte eine erhebliche Steigerung der Recheneffizienz ermöglichen.
Die Anwendung der GPU-Technologie erfordert jedoch den Einsatz einer neuen Programmiertechnik. Die rechenintensiven Teile des Softwareprogramms werden dabei nicht mehr auf den Prozessoren (CPU) des Computers, sondern auf speziell optimierten Grafikkartenprozessoren (GPU) ausgeführt. Eine Verringerung der Rechenzeit wird jedoch nur dann erreicht, wenn die numerisch-mathematischen Eigenschaften der eingesetzten Lösungsverfahren strukturell für diese Prozessorart geeignet sind oder entsprechend modifiziert werden können.

Moderne GPUs sind darauf ausgelegt eine Rechenoperation auf vielen Datenelementen gleichzeitig auszuführen. Aus diesem Grund bestehen sie aus einer sehr hohen Anzahl von Rechenkernen -- derzeit mehrere hundert bis über Tausend. Im Gegensatz zu CPUs verzichten sie dabei auf Caches und komplexe Steuerwerke (control units, CUs). Auch verfügt nicht jeder Rechenkern über ein eigenes Steuerwerk; statt dessen gruppieren sie sich in SIMD (single instruction multiple data) Multiprozessoren, die jeweils nur ein Steuerwerk besitzen. Dadurch steht ein sehr hoher Anteil der Transistoren der GPU für reine Rechenleistung zur Verfügung. Um alle Rechenkerne mit Daten zu versorgen, verfügen GPUs zudem über eine extrem breit-bandige (grafikkartenlokale) Speicheranbindung, die ein vielfaches schneller arbeitet, als die Speicheran-bindung einer CPU (wenn auch mit höherer Latenzzeit). Die Anbindung an den Hauptspeicher des Rechners ist jedoch extrem langsam, da dabei die gesamte Kommunikation über den PCIe-Bus abgewickelt werden muß.

Traditionell werden Rechnungen auf der GPU in einfacher Genauigkeit durchgeführt, da diese Genauigkeit für den Bildaufbau ausreicht. Auch verfügen sie derzeit nur über ein 32-bit Speicherinterface, so dass maximal vier Gigabyte Speicher addressiert werden können. Diese beide Eigenschaften schränken die Einsatzmöglich-keiten von GPUs für HPC (high performance computing) stark ein. Neuere GPUs überwinden allerdings diese Limitierungen. Dennoch entfalten sie ihre volle Leistungsfähigkeit nachwievor nur bei Rechnungen mit einfacher Genauigkeit und die maximal verfügbare Speicherausstattung bleibt bis heute weit hinter der von CPUs zurück.

In dem Projekt werden numerisch-mathematische Fragestellungen bearbeitet, mit denen bei der Übertragung der neuen Technologie in ein vorhandenes CFD-Simulationsprogramm für brandschutzrelevante Anwendungen zu rechnen ist. Insbesondere interessiert uns,

  • ob und inwieweit die numerisch-mathematischen Verfahrenseigenschaften eines „Zero-Mach Projektions-verfahrens“ die Vorteile der GPU-Technologie nutzen können,
  • welcher FuE-Aufwand für eine Übertragung der GPU-Technologie in ein bestehendes CPU-basiertes Verfahren notwendig wäre und
  • welche Vor- und Nachteile die konkurrierenden GPU-Technologien der unterschiedlichen Anbieter bezüglich der Aufgabenstellung aufweisen.

Während in dem QFDS Projekt sehr pragmatisch die Anwendung der CUDA Technologie auf den Fire Dynamics Simulator betrachtet wird, beschäftigt sich das aktuelle Projekt mit theoretischen Fragestellungen. Es hat damit die volle Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der GPU-Technologie unter Berücksichtigung der numerisch-mathematischen Aspekte zum Ziel.

 

2. Pressemitteilungen:

  1. vom 18.11.2010: Neues Forschungsprojekt zur Anwendung der GPU-Technologie im Brandschutz http://www.openpr.de/news/486998.html