EXCELLERAT: il centro di eccellenza europeo per le applicazioni di ingegneria

Come sempre più spesso discusso anche sui quotidiani, il calcolo exascale si riferisce a sistemi di calcolo in grado di calcolare almeno un exa-flops ovvero un miliardo di miliardi di calcoli in una unità di tempo pari ad un secondo. Di fatto si tratterebbe di innalzare l’attuale capacità di calcolo di ben mille volte rispetto al primo computer petascale entrato in funzione solo nel 2008 negli stati uniti. Raggiungere questa potenza di calcolo sta creando grande aspettativa a livello mondiale in prospettiva della possibilità di affrontare sfide computazionali oggi di fatto precluse.

Le applicazioni di ingegneria saranno certamente tra le prime a sfruttare la possibilità di utilizzare sistemi exascale, non solo nel mondo accademico ma anche nell’industria. Infatti, il settore dell’ingegneria industriale è il settore applicativo con il più alto potenziale exascale; per questo motivo il centro di eccellenza per l’ingegneria europeo, EXCELLERAT [1], nasce nel 2019, all’interno di Horizon 2020 [2], con l’intento di riunire le competenze europee necessarie per supportare fattivamente l’ingegneria con un ampio portafoglio di servizi, aprendo la strada all’evoluzione verso l’uso produttivo dei nuovi sistemi di calcolo. Per adempiere alla sua missione, EXCELLERAT si concentrerà su sei applicazioni ingegneristiche di riferimento accuratamente scelte attraverso l’utilizzo di altrettanti codici di calcolo (Nek5000, Alya, AVBP, Fluidity, FEniCS, Flucs). Tali applicazioni sono state analizzate valutandone il potenziale a supporto dell’obiettivo di raggiungere le prestazioni EXASCALE e diventare così candidati da eseguire sui dimostratori Exascale, sistemi pre-exascale ed infine su macchine Exascale vere e proprie. L’idea di fondo di tutto il progetto è che l’eccellenza scientifica del consorzio EXCELLERAT agevolerà l’evoluzione, l’ottimizzazione, il ridimensionamento e il porting delle applicazioni verso le tecnologie exascale al fine di aumentare la competitività dell’Europa nella competizione legata all’ingegneria mondiale. Nell’ambito del progetto, EXCELLERAT dimostrerà anche l’applicabilità dei risultati ad altri campi dell’ingegneria rispetto alle sei applicazioni scelte. La configurazione di EXCELLERAT completa di fatto tutta una serie di attività attualmente già in essere all’interno di ciascun singolo centro HPC coinvolto e consente lo sviluppo di applicazioni di ingegneria di prossima generazione grazie alla sinergia necessaria per  supportare la comunità di ingegneri ad un livello che nessun fornitore HPC può oggi garantire singolarmente.

La visione di EXCELLERAT è riassunta nei seguenti obiettivi:

• fornire all’HPC e alla comunità ingegneristica un facile accesso ai servizi e alle conoscenze pertinenti;
• fornire all’HPC e alla comunità ingegneristica l’accesso a competenze di nicchia nello sviluppo di applicazioni e hardware offerto;
• supportare la comunità con attività di formazione e networking mirate;
• integrare gli utenti EXCELLERAT nell’evoluzione del Centro;
• rafforzare la competitività europea nel campo dell’ingegneria guidata da HPC attraverso un’eccellente ricerca nei settori dello sviluppo, del ridimensionamento e dell’ottimizzazione delle applicazioni;
• applicare soluzioni ingegneristiche innovative abilitate dalle tecnologie HPC ai problemi del mondo reale;
• facilitare il trasferimento di tecnologia dal mondo accademico all’industria per consentire a quest’ultimo di offrire soluzioni migliori e innovative con un time-to-market ridotto.

Nella pratica CINECA è coinvolto nello specifico in due casi di utilizzo:

1. Ottimizzazione di forma attraverso il codice agli elementi finiti FEniCS [3] di un modello di vettura (DrivAer, [5]);
2. Implementazione Large Eddy Simulation (LES) attraverso il codice spettrale NEK5000 [4] di un modello di rotore (HART-II, [6]).

Allo stato attuale lo sviluppo exascale è ancora in fase embrionale e i lavori sui casi di interesse sono appena iniziati ma è interessante capire con che casi ci stiamo confrontando per apprezzare quanto questi siano aderenti ad applicazioni concrete già oggi di interesse pratico.

Ottimizzazione di forma di un modello di vettura DrivAer con FEniCS

FEniCS è una popolare piattaforma di elaborazione open source (LGPLv3) per la risoluzione di equazioni differenziali parziali (PDE). FEniCS consente agli utenti di tradurre rapidamente modelli scientifici in un efficiente codice ad elementi finiti. Con le interfacce Python e C ++ di alto livello per FEniCS, è facile iniziare usando la sua interfaccia Python, ma FEniCS offre anche potenti funzionalità per programmatori più esperti grazie al suo backend C++.
Per questi motivi il CINECA propone di testarlo su un’applicazione pratica di tecniche numeriche avanzate (soluzione aggiuntiva) che sta suscitando molto interesse nelle moderne applicazioni del settore. In particolare, proponiamo di studiare un problema aerodinamico esterno nell’industria automobilistica.
Al fine di valutare l’efficacia della maturità del metodo aggiunto in FeniCS, CINECA ha proposto di eseguire un test su un caso di riferimento automobilistico di aerodinamica esterna, ampiamente studiato da diversi gruppi e con dati di alta qualità della geometria CAD pubblica di proprietà di TUM, il test case DrivAer. Come mostrato in figura 1 il DrivAer viene fornito con diverse opzioni. Noi abbiamo deciso di valutare 3 varianti modulando il livello di complessità della modellazione oltre che della geometria.

Per utilizzare FEniCs è necessario generare una mesh tetraedrica dell’oggetto di interesse come mostrato in figura 2.

Una volta studiato il problema diretto, FEniCs, attraverso il suo solutore aggiunto, è in grado di identificare tutte le zone di massimo impatto rispetto alle variazioni di resistenza e di modificare tali zone geometriche al fine di minimizzare la resistenza.

Il rotore Hart-II e NEK5000

I metodi di alto ordine hanno il potenziale per superare le attuali limitazioni dei solutori CFD standard. Per questo motivo, al KTH sviluppano e migliorano il codice degli elementi spettrali NEK5000 da oltre 30 anni. Questo codice agli elementi spettrali è dotato di algoritmi all’avanguardia e scalabili che sono veloci ed efficienti su piattaforme che vanno dai laptop ai computer più veloci del mondo. Le applicazioni coprono una vasta gamma di campi, tra cui flusso di fluido, convezione termica, combustione e magnetoidrodinamica. La nostra comunità di utenti comprende numerosi scienziati e ingegneri nel mondo accademico, nei laboratori e nell’industria che fanno uso di NEK5000.
Per questi motivi il CINECA propone di testare tecniche numeriche di alto ordine in una moderna applicazione industriale. In particolare, abbiamo come obiettivo di studiare un problema di aerodinamica del rotore. Nel 1990 è stato avviato il test del rotore aeroacustico HHC (HART) con lo scopo di migliorare la comprensione dell’aeromeccanica degli elicotteri. Il team HART era composto da membri dell’esercito americano AFDD, NASA Langley Research Center, DLR, ONERA e DNW. Il suo obiettivo era studiare la fisica dell’HHC sulla riduzione o l’aumento delle vibrazioni e la fisica dell’HHC sull’emissione del rumore. Per tale motivo, il rotore di prova è stato studiato in un impianto di galleria del vento un rotore modello Bo105 riscaldato al 40% del numero Mach effettivo.Dopo aver analizzato i dati ottenuti, si è scoperto che mancano dati sostanzialmente completi sulla scia del rotore e si è deciso di eseguire nel 2001 un altro test, denominato HART II, per ovviare a questa mancanza di informazioni. In questo nuovo setup sperimentale anche i valori di immagini di velocimetria di particelle (PIV) sono stati campionati e resi disponibili per comparazioni.
Come mostrato in figura 4 e 5 la griglia di calcolo richiesta da NEK5000 deve essere generata come maglia completamente strutturata a blocchi.

 

Per oggetti completamente 3D come le pale del rotore questo è un compito assai complesso. In CINECA stiamo sviluppando una procedura automatica in grado di gestire questa attività in maniera ottimale.

Conclusioni

Un centro di eccellenza può essere sostenibile solo quando le esigenze dei suoi utenti vengono affrontate in modo adeguato. Per EXCELLERAT questa base di utenti comprende la sua comunità che molte volte ha contemporaneamente un doppio ruolo di portatore di conoscenza e fornitore di soluzioni. I membri di questa comunità sono ricercatori, ingegneri ed informatici, provenienti sia dall’industria che dal mondo accademico, che condividono tutti la stessa passione per lo sviluppo di soluzioni HPC innovative per l’ingegneria. In particolare, EXCELLERAT risponde alle esigenze di un pubblico variegato costituito da:
imprese operanti in Europa, specializzate in applicazioni di ingegneria HPC partendo dalle PMI ed arrivando alle grandi industrie;
ingegneri operanti in accademia e nel mondo della ricerca;
imprese di ingegneria che operano in Europa che non hanno ancora percepito la necessità di utilizzare HPC, ma potrebbero ottenere vantaggi commerciali dall’uso del centro;
centri accademici HPC in Europa con esperienza nel lavoro di ricerca collaborativa con partner commerciali e come fornitori di risorse HPC.
La scelta di EXCELLERAT di lavorare mettendo da subito in sinergia sviluppatori di codice, ingegneri e sviluppatori di hardware direttamente su dei casi applicativi concreti e di interesse industriale, con codici prospetticamente portabili all’exa-computing, è una scelta che si auspica possa effettivamente accelerare il trasferimento tecnologico necessario per portare dalla teoria alla pratica le numerose innovazioni che a livello computazionale forniscono oggi numerosi codici di calcolo. I prossimi due anni di progetto serviranno a capire se questa è la strada giusta valutando i risultati concreti ottenuti in ciascuno dei singoli casi di utilizzo.

Riferimenti

[1]    Sito EXCELLERAT: https://www.excellerat.eu/wp/
[2]    Progetto Horizon 2020: http://www.horizon2020news.it/
[3]    FEniCS: https://fenicsproject.org/
[4]   NEK5000: https://nek5000.mcs.anl.gov/
[5]    DrivAer: http://www.aer.mw.tum.de/en/research-groups/automotive/drivaer/
[6]    Hart-II: https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Yu_AHSF02.pdfA

 

— Raffaele Ponzini, Francesco Salvadore, Claudio Arlandini - CINECA

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