Användning av grafikprocessormedveten meddelandeförmedling för att accelerera nogranna strömningsmekaniska datorsimuleringar

Motivated by the end of Moore’s law, graphics processing units (GPUs) are replacing general-purpose processors as the main source of computational power in emerging supercomputing architectures. A challenge in systems with GPU accelerators is the cost of transferring data between the host memory and the GPU device memory. On supercomputers, the standard for communication between compute nodes is called Message Passing Interface (MPI). Recently, many MPI implementations support using GPU device memory directly as communication buffers, known as GPU-aware MPI. One of the most computationally demanding applications on supercomputers is high-fidelity simulations of turbulent fluid flow. Improved performance in high-fidelity fluid simulations can enable cases that are intractable today, such as a complete aircraft in flight. In this thesis, we compare the MPI performance with host memory and GPU device memory, and demonstrate how GPU-aware MPI can be used to accelerate high-fidelity incompressible fluid simulations in the spectral element code Neko. On a test system with NVIDIA A100 GPUs, we find that MPI performance is similar using host memory and device memory, except for intra-node messages in the range of 1-64 KB which is significantly slower using device memory, and above 1 MB which is faster using device memory. We also find that the performance of high-fidelity simulations in Neko can be improved by up to 2.59 times by using GPU-aware MPI in the gather–scatter operation, which avoids several transfers between host and device memory. Motiverat av slutet av Moores lag så har grafikprocessorer (GPU:er) börjat ersätta konventionella processorer som den huvudsakliga källan till beräkningingskraft i superdatorer. En utmaning i system med GPU-acceleratorer är kostnaden att överföra data mellan värdminnet och acceleratorminnet. På superdatorer är Message Passing Interface (MPI) en standard för kommunikation mellan beräkningsnoder. Nyligen stödjer många MPI-implementationer direkt användning av acceleratorminne som kommunikationsbuffertar, vilket kallas GPU-aware MPI. En av de mest beräkningsintensiva applikationerna på superdatorer är nogranna datorsimuleringar av turbulenta flöden. Förbättrad prestanda i nogranna flödesberäkningar kan möjliggöra fall som idag är omöjliga, till exempel ett helt flygplan i luften. I detta examensarbete jämför vi MPI-prestandan med värdminne och acceleratorminne, och demonstrerar hur GPU-aware MPI kan användas för att accelerera nogranna datorsimuleringar av inkompressibla flöden i spektralelementkoden Neko. På ett testsystem med NVIDIA A100 GPU:er finner vi att MPI-prestandan är liknande med värdminne och acceleratorminne. Detta gäller dock inte för meddelanden inom samma beräkningsnod i intervallet 1-64 KB vilka är betydligt långsammare med acceleratorminne, och över 1 MB vilka är betydligt snabbare med acceleratorminne. Vi finner också att prestandan av nogranna datorsimuleringar i Neko kan förbättras upp till 2,59 gånger genom användning av GPU-aware MPI i den så kallade gather– scatter-operationen, vilket undviker flera överföringar mellan värdminne och acceleratorminne