アクセラレータ上で動作する粒子系シミュレータ開発フレームワークの開発

• Project/Area Number: 21K11930
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60100:Computational science-related
• Research Institution: Matsue National College of Technology
• Principal Investigator: 岩澤 全規 松江工業高等専門学校, 情報工学科, 講師 (10650038)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 牧野 淳一郎 神戸大学, 理学研究科, 教授 (50229340) ; 細野 七月 神戸大学, 理学研究科, 特命助教 (70736298)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 粒子法 / フレームワーク / 高性能計算 / 粒子シミュレーション / gpu / 天文学

Outline of Research at the Start

FDPSがこれまでホストコンピュータで行ってきた、ツリー構造の構築や相互作用リストの作成など、通信以外のあらゆる部分をアクセラレータ上で動作するようFDPSに実装し、アクセラレータ搭載スパコンでも実行性能の高い粒子シミュレーションコード開発を容易にする。

Outline of Annual Research Achievements

粒子法シミュレーションは、密度コントラストの強い系や空隙のある系、物体の破壊や衝突等のシミュレーションに適しており、自然科学や工学の幅広い分野で使われている。しかし、並列粒子法シミュレーションコードの開発は容易ではなく、多くの研究者がコード開発や最適化に多くの時間を割く必要があった。そのため、我々は容易に並列粒子法シミュレーションプログラムを開発するためのフレームワークFDPS(Framework for Developing Particle Simulators)を開発した。しかし、現在のFDPSでGPGPUなどのアクセラレータを使う場合、相互作用計算のみをアクセラレータ上で計算することになる。しかし、星団や銀河など粒子の速度分散が大きい系のシミュレーションでは、相互作用リストを再利用することができないため、相互作用計算をアクセラレータで高速化しても、ホストコンピュータ上で行う木構造や相互作用リストの構築が性能ボトルネックになり、性能向上が難しい。そこで、本研究では木構造や相互作用リスト構築、その他の計算も可能な限りアクセラレータ上で動作させる、アクセラレータ対応FDPSの開発を行う。
当該年度では、まず木構造や相互作用リスト構築の実装を行ったが、最適化や並列化はまだ行っていない。また、アクセラレータ上でFDPSを動作させた際のパフォーマンスモデルを作成し、ボトルネックとなる部分の洗い出しを行った。結果、粒子データをアクセラレータに転送する部分がボトルネックになる事がわかった。そのため、なるべく粒子データの転送を行わないアルゴリズムの検討を行った。また、従来のCPUベースのフレームワークに近年提案された長距離相互作用を高速に解くアルゴリズムの実装するなどの機能拡張を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

アクセラレータによる木構造の構築等は完成しているが、最適化及び並列化はまだできていない。また、従来のCPUベースのフレームワークに近年提案された長距離相互作用を高速に解くアルゴリズムの実装をするなどの機能拡張を行ったため、アクセラレータへの実装に遅れが生じている。

Strategy for Future Research Activity

現在は木構造、相互作用リスト構築の実装は行った。今後は最適と並列化を中心に実装を進め、その後、N体シミュレーションやSPHなどのアプリケーション開発、大規模なGPGPU搭載スパコン上での性能測定も行う予定である。