In den vergangenen Jahren ist vermehrt über das Thema Leistungssteigerung durch die Verwendung von GPUs berichtet worden. Bei zeitaufwändigen Berechnungen, wie etwa CFD-Simulationen, klingen die beworbenen Geschwindigkeitssteigerungen verlockend, können aber auch durchaus Probleme mit sich bringen.

Das durch Parallelisierung zu erschliessende Potential ist zur Zeit Entwicklungsziel sowohl der traditionellen CPU-Entwickler als auch der Entwickler von Grafikkarten. Wahrend die universell nutzbaren CPUs immer mehr Kerne erhalten, werden die eigentlich sehr eingeschränkt nutzbaren GPUs immer universeller anwendbar. Letzteren wurde teilweise ein Geschwindigkeitsvorteil um einen Faktor zwischen 10x und 1.000x nachgesagt. Dabei erfolgte der Vergleich jedoch häufig mit Single-Core-CPUs.

Wissenschaftler von Intel haben das Thema jetzt genauer untersucht und die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlicht: Debunking the 100X GPU vs. CPU Myth: An Evaluation of Throughput Computing on CPU and GPU

Der erreichbare Geschwindigkeitszuwachs erreicht dabei bis zu einem beachtlichen Faktor von 14.9, liegt allerdings teilweise unter 1x. Der für FDS zumindest teilweise aussagekräftige Teil des Benchmarks FFT liegt bei 3x.

Grundsätzlich ist das Thema komplex: um die Rechenleistung moderner GPUs effektiv nutzen zu können bedarf es intensiver Optimierungsarbeit. Sobald beispielsweise die Kommunikation zwischen GPU und CPU zunimmt, drohen starke Geschwindigkeitseinbußen. Bei dem zur Zeit auf einer GPU zur Verfügung stehenden Speicher, kann dies zu einem Problem werden. Des Weiteren hat Herr Rogsch im Rahmen seiner Arbeit an einer Parallelisierung mittels OpenMP bereits darauf hingewiesen dass einige Modelle in FDS zur Zeit aufgrund ihres Aufbaus praktisch keine Parallelisierung zulassen.

Zur Beschreibung von Randbedingungen, die von den in FDS voreingestellten Werten abweichen, beteht die Möglichkeit diese mit dem Befehl INIT (vgl. User Guide Kap. 6.5) zu definieren. Mit dieser Einstellung kann neben der Temperatur auch die Dichte und der Massenanteil von Stoffen in der Gasphase beschrieben bzw. verändert werden.

Aufgrund einer bisher fehlenden Abfrage im Programm (read.f90) werden die mit dem Befehl &INIT gesetzten Raumtemperaturen, die unter der Null Grad Grenze liegen, nach dem ersten Zeitschritt auf Null gesetzt und können so die Berechnungsergebnisse verfälschen.

Über die Änderung der unteren Temperaturgrenze besteht bis zu einer Fehlerbehebung in der offiziellen Version bereits jetzt die Möglichkeit der Simulation von Raumtemperaturen unter dem Gefrierpunkt. Hierzu ist die untere Temperaturgrenze mit &CLIP MINIMUM_TEMPERATURE = -20. / entsprechend zu ändern. Über diese Hintertür wird der Befehl &INIT XB = … , TEMPERATURE=-20. / in der Berechnung richtig berücksichtigt.

Im Download-Bereich finden sich 2 neue Fachbeiträge zum selben Themenkomplex: dem Drucklöser von FDS. 

Zur Druckberechnung in der parallelen Version des NIST Fire Dynamics Simulators v5.0 von Andreas Brätz.

Der Beitrag beschreibt die Probleme bei der Nutzung der FDS-Version 5.0 auf massiv parallelen Systemen und versucht Lösungsansätze vorzuzeichnen.

A new generalized domain decomposition strategy for the efficient parallel solution of the FDS-pressure equation Part II: Verification and Validation von Matthias Münch und Susanne Kilian.

Geht auf die Probleme der Verifizierung komplexer CFD-Codes ein und stellt eine Test-Struktur vor und begründet warum ein stärker mathematisch/numerisch orientierter Test zur Evaluierung sinnvoller sein kann.

Part I steht ebenfalls zur Verfügung.

Nachdem bereits im Laufe des Tages eine neue Version von Smokeview (Version 5.5.6) zur Verfügung gestellt wurde, steht seit kurzem FDS in der Version 5.5.1 mit einigen Änderungen und Fehlerbehebungen zum Download bereit.

Die Arbeitsgruppe NRW der FDS-Usergroup veranstaltet am 24. und 25. Juni 2010 in Aachen einen 2-tägigen Workshop zum Thema FDS.
Neben einer Vielzahl an Vorträgen steht der Besuch des Institutes für Industrieaerodynamik an der FH-Aachen mit einem Modellversuch auf dem Programm.

Bei dem Workshop steht eine Praxisorientierung im Vordergrund.

Im offiziellen FDS-Forum hat Randy McDermott auf einen Vorabzug einer geplanten Veröffentlichung zu einigen neuen Funktionen in FDS 6 und späteren Versionen hingewiesen.

Die Highlights:

Immersed Boundary Method zur Abbildung komplexer schräger oder kurviger Geometrien, Embedded MESHes zur lokalen Verfeinerung der Auflösung mit Informationsaustausch in beide Richtungen (two-way coupling) und einer Methode zur quantitativen Bewertung der Qualität der Auflösung turbulenter Strukturen. Darüber hinaus werden zukünftig unter Umständen auch Moving Boundaries möglich sein.

Die neuen Funktionen müssen in FDS 6 noch nicht zwingend abschließend implementiert sein, sollen jedoch zumindest zu Testzwecken funktionieren.

FDS 5.5 steht als Download zur Verfügung.

Auch wenn die neue FDS-Version mit Funktionen wie PART_ID, RAMP_PART und TAU_PART als Parameter von SURF sowie einer weiteren Flexibilisierung des RAMP-Befehls (aktivieren und deaktivieren einer RAMP-Tabelle über ein DEVC, RAMP zur Manipulation der Gravitation ;-] ) nicht spektakulär wirkt, rechtfertigen Erweiterungen rund um die Simulation von Partikeln und Änderungen am Drucklöser den Versionssprung.

Darüber hinaus wurden in den letzten 4 Monaten seit Version 5.4.3 zahlreiche kleinere Fehler behoben.

 Im offiziellen Forum der FDS-Entwickler ist über die Frage nach Plänen zur Nutzung von GPGPU mittels OpenCL in zukünftigen FDS-Versionen eine interessante Diskussion zum aktuellen Stand des Themas und möglichen Strategien zur Nutzung in FDS in Gang gekommen.

Einen sehr guten Überblick über die aktuellen Probleme, die erforderliche Vorarbeit und die Chancen bietet der Beitrag von Christian Rogsch. 

Zusammenfassend kann man das Thema durchaus als verfolgenswert bezeichnen. Christian Rogsch arbeitet mittel bis langfristig an einer konsequenteren Parallelisierung des Codes, die seiner aktuellen Arbeit mit OpenMP zukommen soll. Sollten zukünftige Compiler-Versionen die Nutzung von GPGPU mittels Compilerdirektiven aus Fortran-Code weiter vereinfachen und durchgängig nutzbar machen, steht einer deutlichen Leistungssteigerung grundsätzlich nichts mehr im Weg.

Die aktuelle Entwicklerversion, die als FDS 5.5.0 erscheinen wird, wird die Funktion Pressure_Correction nicht mehr unterstützen. Simulationen mit aktivierter Pressure_Correction werden mit der Fehlermedlung “PRESSURE_CORRECTION is a deprecated feature” abgebrochen.

Im Download-Bereich befindet sich die Dissertation „Modellierung von Brandszenarien in Gebäuden“ von Christian Knaust.

Im Rahmen der Arbeit werden Brandversuche, analytische Lösungen und numerische Simulationen mit FDS, FLUENT sowie CFAST bzw. MRFC verglichen.