Preludium NCN (01.02.2017-01.02.2019) – kierownik

Ocena możliwości wykorzystania nowoczesnych architektur sprzętowych w modelowaniu mechanizmów rozwoju mikrostruktury z wykorzystaniem metody automatów komórkowych.

Koncepcja modelowania numerycznego w oparciu o cyfrową reprezentację materiału, gdzie w sposób bezpośredni uwzględnione są elementy mikrostrukturalne (ziarna, granice ziaren, wydzielenia, wtrącenia, granice faz itp.), jest obecnie bardzo dynamicznie rozwijana w wiodących ośrodkach naukowych. Symulacje oparte o takie podejście pozwalają analizować zachowanie materiału w warunkach, które nie były możliwe do monitorowania w przypadku podejść konwencjonalnych, opisujących mikrostrukturę w sposób uśredniony. Koncepcja cyfrowej reprezentacji materiału zapewnia również możliwość prowadzenia symulacji rozwoju mikrostruktury podczas różnych procesów kształtowania plastycznego i obróbki cieplnej z wykorzystaniem modeli analizy dyskretnej np. automatów komórkowych.

Symulacje takie są niezwykle istotne, gdyż pozwalają kontrolować ewolucję mikrostruktury w trakcie kształtowania wyrobu. Warto podkreślić, iż niejednokrotnie niewielkie zmiany warunków procesu wpływają w kolosalnym stopniu na zachowanie mikrostruktury a co za tym idzie na końcowe właściwości eksploatacyjne danego produktu. Wykorzystując symulacje oparte o cyfrową reprezentację materiału i automaty komórkowe możliwe jest natomiast bardzo dokładne odwzorowanie mechanizmów kontrolujących ewolucję morfologii mikrostruktury w sposób bezpośredni gdzie naocznie można prześledzić zachowanie wszystkich istotnych elementów.

W literaturze można znaleźć bardzo wiele prac poświęconych takim rozwiązaniom, jednakże cechują się one bardzo dużą złożonością obliczeniową co ogranicza ich praktyczne zastosowanie do projektowania nowoczesnych technologii odkształcenia materiałów, a co za tym idzie ich wdrożenie do przemysłu jest praktycznie niemożliwe.

Eliminacja problemu dużej złożoności obliczeniowej jest możliwa w dwojaki sposób. Pierwszym jest zastosowanie innowacyjnego podejścia opartego na idei automatów frontalnych, w których obliczenia wykonywane są tylko w konkretnych obszarach mikrostruktury, na przykład na frontach przemieszczających się granic ziaren. Drugim rozwiązaniem jest wykorzystanie możliwości jakie zapewniają nowoczesne centra obliczeniowe, nazywane również superkomputerami. Wyposażone są one w setki a czasem i tysiące jednostek obliczeniowych, zapewniając olbrzymie moce do analizy numerycznej.

Pierwsze z wymienionych podejść pozwala zredukować czas obliczeń, jednakże redukcja ta związana jest ze znacznym ograniczeniem domeny obliczeniowej, co powoduje również spadek dokładności obliczeń. Dlatego też w niniejszym projekcie postanowiono wykorzystać drugie podejście oparte na idei obliczeń równoległych oraz rozproszonych. Takie założenie wiążę się jednak z odejściem od dotychczasowego podejścia implementacyjnego stosowanego przy symulacjach wykorzystujących metodę automatów komórkowych, oraz koniecznością realizacji badań o charakterze podstawowym nad opracowaniem dedykowanych algorytmów do obliczeń wysokiej wydajności w tym mechanizmów komunikacji oraz synchronizacji obliczeń na jednostkach logicznych i fizycznych.

Przeprowadzenie obliczeń równoległych na ogromnej liczbie jednostek obliczeniowych pozwoli w sposób znaczący zredukować czas symulacji do akceptowalnej wielkości. Podejście takie jest możliwe dzięki gwałtownemu rozwojowi technologii obserwowanemu w ostatnich latach, który sprzyja powstawaniu coraz większej liczby centr obliczeniowych wspierających symulacje na superkomputerach.

Obecnie najszybszym komputerem według listy top500 (lista 500 najszybszych jednostek obliczeniowych na świecie) jest Tianhe-2 (MilkyWay-2) znajdujący się w National Super Computer Center in Guangzhou w Chinach. Posiada on ponad 3 miliony rdzeni obliczeniowych. Takie zasoby obliczeniowe w stosunku do klasycznych komputerów stacjonarnych wraz z dobrze zoptymalizowaną implementacją pozwalają na redukcję czasu bardzo złożonych obliczeń z rzędu setek/tysięcy lat do dni/tygodni, umożliwiając tym samym symulację problemów, które nie były możliwe w zeszłej dekadzie. Co jednak bardziej istotne takie zasoby obliczeniowe mogą pozwolić w przyszłości na wsparcie przemysłu symulacjami realizowanymi w czasie rzeczywistym (ang. Online), przeprowadzanymi podczas procesu technologicznego, oraz dającymi natychmiastową odpowiedz na zaistniałe warunki procesu, pozwalając tym samym na jeszcze większą kontrolę własności uzyskiwanego wyrobu gotowego.

Polska również posiada wiele superkomputerów dostępnych dla celów realizacji symulacji rozproszonych. Na podkreślenie zasługuje fakt, że jeden z nich Prometeusz z Akademickiego Centrum Komputerowego Cyfronet AGH, który będzie wykorzystywany w ramach niniejszego projektu, znajduje się na bardzo wysokiej 39tej pozycji na liście top500. Obecnie oferuje on ponad 55 tysięcy rdzeni obliczeniowych, zapewniając tym samym ogromne możliwości dla symulacji.

Obliczenia równoległe/rozproszone mogą być przeprowadzane na dwóch typach jednostek obliczeniowych: procesorach wielordzeniowych oraz klastrach obliczeniowych również funkcjonujących w środowiskach przetwarzania sieciowego tzw. gridach (np. PlGrid z zasobami o mocy obliczeniowej 588 teraflopów oraz pamięci dyskowej o pojemności 5,8 petabajtów).

W ramach niniejszego projektu planowane jest opracowanie i zaimplementowanie rozproszonej wersji modelu rozwoju mikrostruktury na bazie metody automatów komórkowych. Pozwoli to na znaczące przyspieszenie obliczeń opartych na tej metodzie, oraz będzie pierwszym elementem do tworzenia w kolejnym etapie jeszcze bardziej złożonych i wydajnych systemów na architektury heterogeniczne. Podejście takie pozwoli również na postawienie pierwszego kroku w kierunku wykorzystania symulacji rozwoju mikrostruktury na bazie metody automatów komórkowych w przemyśle. Wydajne modele zapewnią w przyszłości możliwość wspomagania opracowania technologii wytwarzania różnych komponentów o kontrolowanych własnościach z nowoczesnych stopów metali. Jako przykład praktycznego zastosowania metody automatów komórkowych zostanie wykorzystany model zjawiska rekrystalizacji statycznej.

Algorytm automatów komórkowych dedykowany dla sekwencyjnych symulacji rekrystalizacji statycznej został zaimplementowany i wstępnie zweryfikowany z danymi literaturowymi na etapie badań wstępnych. W ramach niniejszego projektu zebrane doświadczenia zostaną wykorzystane do zaadoptowania istniejącego rozwiązania wraz z wszystkimi dodatkowymi funkcjami do wymagań obliczeń wysokiej wydajności. Prace zostaną zrealizowane za pomocą obiektowo zorientowanego języka c++ w środowisku Visual Studio. Implementacja zostanie dostosowana do uruchomienia na systemach scientific linux w środowisku rozproszonym. Stworzenie bardzo wydajnych obliczeniowo algorytmów wymagać będzie zastosowania dodatkowych bibliotek zawierających narzędzia umożliwiające przeprowadzenie komunikacji w równoległym wykonywaniu aplikacji zarówno dla jednostek składających się z wielu procesorów, jak i na platformy złożone z wielu komputerów (aplikacja wielowęzłowa, wykorzystująca interfejs transmisji wiadomości – Message Passing Interface MPI).