Mögliche zukünftige Entwicklungen rund um FDS und SMV

Auch wenn Prognosen über mögliche Entwicklungen zu FDS und SMV immer etwas vom sprichwörtlichen Stochern im Nebel haben: der Blick über den Tellerrand kann durchaus spannend sein. Dabei sind die beschriebenen Techniken zwar nicht als konkrete Entwicklung der näheren Zukunft zu verstehen, aber die allgemeine Frage „Was kann die Zukunft FDS und SMV bringen?“ ist durchaus zulässig undzeigt was möglich ist.

Eine der zur Zeit vielleicht am meisten diskutierten Entwicklungen der Computerbranche betrifft die ewige CFD-Frage „Wie kann ich meine Simulation schneller berechnen?“.

Mit steigender Bedeutung der Parallelisierung von CPUs gewinnt ein Bauelement an Potential, das bisher höchstens durch den Postprozessor genutzt wurde: die Graphics Processing Unit (GPU).
Die beiden größten GPU Hersteller Nvidia und ATI unternehmen große Anstrengungen um die beeindruckende Rechenleistung ihrer Grafikkarten durch herkömmliche Programme nutzbar zu machen.
Nvidia beispielsweise hat eine Entwicklungsumgebung veröffentlicht, mit welcher ihre aktuellen GPUs in einer C ähnlichen Sprache komplexe Berechnungen durchführen können: CUDA (Compute Unified Device Architecture).
Das Potential scheint beachtlich. Auf ihrer gerade geendeten Hausmesse Nvision sprach der Nvidia-CEO von einem erreichbaren Geschwindigkeitsfaktor, gegenüber einem aktuellen Intel 4-Kern Prozessor, zwischen 2x und 10x. Was das Thema für FDS-Nutzer besonders interessant macht: auf der Eröffnungspräsentation erklärte er, dass die Entwicklungsumgebung in naher Zukunft auch Fortran unterstützen wird. Einen ausführlichen Bericht über CUDA und das gebotene Potential findet man beispielsweise hier.

Die Probleme der näheren Vergangenheit scheinen darüber hinaus gelöst: aktuelle, auf der GT200 Architektur basierende Produkte unterstützen erstmals 64bit double precision floating points. Der große Speicherbedarf, den CFD-Anwendungen typischerweise verursachen, kann durch Produkte wie etwaTesla erfüllt werden.

Das Intel den neu entstandenen Mitbewerbern nicht widerstandslos das Feld überlässt, ist verständlich und so wurde kürzlich das eigene Produkt Larrabee angekündigt.
Larrabee soll in einem ersten Schritt als leistungsfähiges Konkurrenzprodukt zu ATI und Nvidia Grafikkarten auf den Markt kommen und kurze Zeit später als mathematischer Koprozessor erscheinen.

Dabei wird es auch spannend zu sehen sein, wie SMV die neuen Techniken nutzen wird. Glenn Forney hat schon in der jüngeren Vergangenheit aufwendigere Aufgaben auf die Grafikkarte ausgelagert und damit die CPU entlastet, bzw. kürzere Rechenzeiten zur Visualisierung der Simulationen ermöglicht.
Die kürzlich fertig gestellte Spezifikation zu OpenGL 3.0 ermöglicht erstmals eine freie Programmierung der GPU und bietet damit ganz neue Möglichkeiten.

Während all diese Techniken in erster Linie der Geschwindigkeitssteigerung dienen, hat Nils Thürey von der ETH Zürich et al. eine Technik veröffentlicht, die es erlaubt die Simulationsergebnisse von FDS in SMV weitgehend unabhängig von der Auflösung der ursprünglichen Simulation annähernd fotorealistisch darzustellen.

Nils Thürey hat schon in der Vergangenheit auf sich aufmerksam gemacht, als er im Rahmen der Veranstaltung „Google summer of code“ einen Strömungssolver, basierend auf der Lattice-Boltzmann-Methode, für den freien Renderer Blender entwickelte.

Seine Technik „Wavelet Turbulence for Fluid Simulation“ basiert prinzipiell auf einer grob aufgelösten Strömungssimulation, die nachträglich durch den Postprozessor mit synthetisch erzeugten, hochfrequenten Wellenmustern überlagert wird.
Die grafischen Ergebnisse der veröffentlichten Methode sind beeindruckend.

In der Vergangenheit wurde die Möglichkeit einer solchen Funktion im offiziellen Forum bereits diskutiert. Zumindest Kevin McGrattan war von der Idee aber alles andere als begeistert und kritisierte das schon fast betrügerische Potential, dass solche Techniken bieten, indem sie Simulationen in einer Qualität visualisieren, wie sie andernfalls nur bei deutlich feinerer Diskretisierung möglich wären.

Unabhängig davon ob einzelne der oben beschriebenen Entwicklungen in der Zukunft in FDS oder SMV implementiert werden, steht eines fest: bei der Entwicklungsgeschwindigkeit der letzten Jahre wird die Zukunft spannend bleiben.

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