Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors
An overview of approaches to parallelization of grid-based numerical methods for solving shallow water equations for multiprocessor systems and graphics processors is presented. A multithreaded approach for shared-memory computing systems implemented on the basis of the OpenMP programming interface...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Kyiv National University of Construction and Architecture
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://es-journal.in.ua/article/view/285081 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Environmental safety and natural resources |
Репозитарії
Environmental safety and natural resources| id |
es-journalinua-article-285081 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Environmental safety and natural resources |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
моделювання річкових систем моделювання прибережних зон моря рівняння мілкої води скінченні об’єми неструктуровані сітки паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river modeling coastal modeling shallow water equations finite volume unstructured grid parallel computing GPU computing MPI OpenACC |
| spellingShingle |
моделювання річкових систем моделювання прибережних зон моря рівняння мілкої води скінченні об’єми неструктуровані сітки паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river modeling coastal modeling shallow water equations finite volume unstructured grid parallel computing GPU computing MPI OpenACC Сорокін, М.В. Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| topic_facet |
моделювання річкових систем моделювання прибережних зон моря рівняння мілкої води скінченні об’єми неструктуровані сітки паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river modeling coastal modeling shallow water equations finite volume unstructured grid parallel computing GPU computing MPI OpenACC |
| format |
Article |
| author |
Сорокін, М.В. |
| author_facet |
Сорокін, М.В. |
| author_sort |
Сорокін, М.В. |
| title |
Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_short |
Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_full |
Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_fullStr |
Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_full_unstemmed |
Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_sort |
parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_alt |
Розпаралелювання чисельних розв’язків рівнянь мілкої води методом скінченних об’ємів для реалізації на багатопроцесорних системах і графічних процесорах |
| description |
An overview of approaches to parallelization of grid-based numerical methods for solving shallow water equations for multiprocessor systems and graphics processors is presented. A multithreaded approach for shared-memory computing systems implemented on the basis of the OpenMP programming interface and a geometric decomposition approach with message-passing using the MPI library for distributed-memory computers are described. Multithreading for programming GPUs based on the OpenACC software interface is considered. For the COASTOX-UN system of two-dimensional modeling of hydrodynamics, sediment and radionuclide transport in river systems and coastal areas of the seas, the parallelization of its hydrodynamic model COASTOX-HD was carried out. In the developed numerical model, the shallow water equations are solved by finite-volume numerical methods on unstructured computational grids with triangular cells of variable size. The parallelization is implemented using a hybrid MPI+OpenACC approach targeting multiprocessor systems and GPUs. For multiprocessor computers, geometric decomposition and MPI-based messaging are used, and for GPUs, multithreading is implemented using OpenACC directives. The performance of the developed parallel hydrodynamic model was evaluated during the calculation of typical problems of hydrodynamics of shallow water bodies, river flood, and tsunami wave run-up on the coast on a Dell Precision Workstation 7920 multi-core workstation with two 20-core Intel Xeon Gold 6230 processors and NVIDIA Quadro RTX 5000 and NVIDIA GeForce RTX 3080 graphics cards. It is shown that the developed model has significantly accelerated the simulation on the considered multiprocessor system and the considered GPUs. The acceleration on GPUs depends on the size of the computational grid, increasing to saturation with an increase in the number of grid cells. It is established that for the developed parallel model, whose numerical schemes are related to algorithms with low computational intensity, the memory bandwidth of the NVIDIA architecture GPUs is a more important limiting factor of acceleration than their performance. |
| publisher |
Kyiv National University of Construction and Architecture |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://es-journal.in.ua/article/view/285081 |
| work_keys_str_mv |
AT sorokínmv parallelizationofnumericalsolutionsofshallowwaterequationsbythefinitevolumemethodforimplementationonmultiprocessorsystemsandgraphicsprocessors AT sorokínmv rozparalelûvannâčiselʹnihrozvâzkívrívnânʹmílkoívodimetodomskínčennihobêmívdlârealízacíínabagatoprocesornihsistemahígrafíčnihprocesorah |
| first_indexed |
2024-04-21T19:46:57Z |
| last_indexed |
2024-04-21T19:46:57Z |
| _version_ |
1796974908545171456 |
| spelling |
es-journalinua-article-2850812023-07-24T09:49:44Z Parallelization of numerical solutions of shallow water equations by the finite volume method for implementation on multiprocessor systems and graphics processors Розпаралелювання чисельних розв’язків рівнянь мілкої води методом скінченних об’ємів для реалізації на багатопроцесорних системах і графічних процесорах Сорокін, М.В. моделювання річкових систем моделювання прибережних зон моря рівняння мілкої води скінченні об’єми неструктуровані сітки паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river modeling coastal modeling shallow water equations finite volume unstructured grid parallel computing GPU computing MPI OpenACC An overview of approaches to parallelization of grid-based numerical methods for solving shallow water equations for multiprocessor systems and graphics processors is presented. A multithreaded approach for shared-memory computing systems implemented on the basis of the OpenMP programming interface and a geometric decomposition approach with message-passing using the MPI library for distributed-memory computers are described. Multithreading for programming GPUs based on the OpenACC software interface is considered. For the COASTOX-UN system of two-dimensional modeling of hydrodynamics, sediment and radionuclide transport in river systems and coastal areas of the seas, the parallelization of its hydrodynamic model COASTOX-HD was carried out. In the developed numerical model, the shallow water equations are solved by finite-volume numerical methods on unstructured computational grids with triangular cells of variable size. The parallelization is implemented using a hybrid MPI+OpenACC approach targeting multiprocessor systems and GPUs. For multiprocessor computers, geometric decomposition and MPI-based messaging are used, and for GPUs, multithreading is implemented using OpenACC directives. The performance of the developed parallel hydrodynamic model was evaluated during the calculation of typical problems of hydrodynamics of shallow water bodies, river flood, and tsunami wave run-up on the coast on a Dell Precision Workstation 7920 multi-core workstation with two 20-core Intel Xeon Gold 6230 processors and NVIDIA Quadro RTX 5000 and NVIDIA GeForce RTX 3080 graphics cards. It is shown that the developed model has significantly accelerated the simulation on the considered multiprocessor system and the considered GPUs. The acceleration on GPUs depends on the size of the computational grid, increasing to saturation with an increase in the number of grid cells. It is established that for the developed parallel model, whose numerical schemes are related to algorithms with low computational intensity, the memory bandwidth of the NVIDIA architecture GPUs is a more important limiting factor of acceleration than their performance. Представлено огляд підходів до розпаралелювання сіткових чисельних методів розв'язування рівнянь мілкої води для багатопроцесорних систем та графічних процесорів. Описано багатопотоковий підхід для обчислювальних систем із загальною пам'яттю, реалізований на основі програмного інтерфейсу OpenMP, та підхід геометричної декомпозиції з передачею повідомлень з використанням бібліотеки MPI для комп'ютерів з розподіленою пам'яттю. Розглянуто багатопотоковість для програмування графічних процесорів на основі програмного інтерфейсу OpenACC. Для системи COASTOX-UN двовимірного моделювання гідродинаміки, переносу наносів і радіонуклідів у річкових системах і прибережних районах морів проведено розпаралелювання її гідродинамічної моделі COASTOX-HD. В розробленій чисельній моделі рівняння мілкої води розв'язуються скінченно-об'ємними чисельними методами на неструктурованих обчислювальних сітках з трикутними комірками змінного розміру. Розпаралелення реалізовано за допомогою гібридного підходу MPI+OpenACC, орієнтованого на багатопроцесорні системи і графічні процесори. Для багатопроцесорних комп’ютерів використовується геометрична декомпозиція і обмін повідомленнями на основі MPI, для графічних процесорів – багатопотоковість, реалізована за допомогою директив OpenACC. Представлено тестування продуктивності розробленої паралельної гідродинамічної моделі при обчисленні характерних задач гідродинаміки мілководних водойм, річкової повені і набігання хвилі цунамі на узбережжя, на багатоядерній робочій станції Dell Precision Workstation 7920 з двома 20-ядерними процесорами Intel Xeon Gold 6230 і графічних картах NVIDIA Quadro RTX 5000 і NVIDIA GeForce RTX 3080. Показано, що розроблена модель значно прискорює моделювання задач на розглянутих багатопроцесорній системі і графічних процесорах. Прискорення обчислення задач на графічних процесорах залежить від розміру розрахункової сітки, зростаючи до насичення при збільшенні кількості комірок сітки. Встановлено, що для розробленої паралельної моделі, чисельні схеми якої відносяться до алгоритмів з невисокою обчислювальною інтенсивністю, пропускна здатність пам’яті графічних процесорів архітектури NVIDIA є більш важливим обмежуючим фактором прискорення, чим їхня продуктивність. Kyiv National University of Construction and Architecture 2023-06-28 Article Article application/pdf https://es-journal.in.ua/article/view/285081 10.32347/2411-4049.2023.2.163-193 Environmental safety and natural resources; Vol. 46 No. 2 (2023): Environmental safety and natural resources; 163-193 Екологічна безпека та природокористування; Том 46 № 2 (2023): Екологічна безпека та природокористування; 163-193 2616-2121 2411-4049 10.32347/2411-4049.2023.2 uk https://es-journal.in.ua/article/view/285081/279190 Авторське право (c) 2023 Sorokin M.V. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |