Компьютерное моделирование поведения сыпучих сред методом дискретных элементов (Discrete Element Method - DEM) в горно-металлургической, строительной, пищевой и фармацевтической промышленности стало доступным инструментом инженера в связи с развитием вычислительной техники за последнее десятилетие. Расчет технологических процессов при помощи метода DEM подразумевает моделирование большого количества частиц, часто от миллиона и более, что безусловно требует соответствующей производительности вычислительных ресурсов.

Программное обеспечение Rocky DEM от компании ESSS позволяет рассчитать поведение потока частиц различных форм и размеров при его движении по конвейерным линиям, на вибрационных грохотах, в мельницах, дробилках и других видах обрабатывающего и транспортного оборудования. Программный пакет Rocky DEM поддерживает распараллеливание вычислений в системах с общей памятью (Shared Memory Parallel, SMP) и использование графических процессоров (GPU) NVIDIA. Основные вычисления могут производится на GPU, в то время как управление и передача данных осуществляется при помощи центрального процессора (CPU).

ЗАДАЧА

Компания CADFEM CIS совместно с Forsite провели исследование увеличения производительности вычислительных алгоритмов программы Rocky DEM при переносе распараллеленного расчетного механизма с CPU на GPU. С целью анализа времени вычислений было проведено несколько сравнительных расчетов на тестовом стенде Intel Xeon E5-2667v3 3.2ГГц 8Cx2 (128 Гб оперативной памяти DDR4, SSD INTEL 240GB S3500 Series x2, Windows 8.1 Professional). Модель включала 1 миллион частиц, проходящих по конвейерной линии в течение 10 секунд. Набор частиц включал как сферические, так и полигональные формы со скруглением – с тремя, пятью и семью углами.

РЕШЕНИЕ

Базовое время расчета задачи на CPU c 4-мя ядрами для набора сферических частиц составило примерно 1 час 40 минут и 8 часов 50 минут для набора с несферическими частицами. Максимальный прирост скорости счета составил 6,7 раз для набора сферических частиц и 10 раз для набора с несферическими частицами. В обоих случаях лучшие результаты были получены на профессиональной видеокарте NVIDIA Quadro M5000.

Результаты расчета для набора сферических частиц

Результаты расчета для набора с несферическими частицами

Эффективность GPU при разных постановках задачи

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

• Использование GPU хорошо подходит для проведения вычислений методом DEM: в задачах, в которых используется большое количество частиц.
• Вычислительные алгоритмы, заложенные в Rocky DEM получают значительный прирост производительности от GPU NVIDIA:
  • 7 – 10 раз по сравнению с 4-х ядерными рабочими станциями
  • 2 – 5 раз по сравнению в 16-ти ядерными серверами
• На текущий момент Rocky поддерживает вычисления на одном чипе GPU
• Следует обращать внимание на объем памяти GPU особенно для задач с несферическими частицами.

Применяемая в ROCKY технология выполнения расчётов на ядрах графической карты (GPU) повышает скорость решения задач и обеспечивает экономию средств на аппаратное обеспечение

РЕКОМЕНДОВАННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ

Оптимальным решением является рабочая станция/сервер с мощным графическим процессором NVIDIA. Форм-фактор решателя определяет выбор GPU:

Серверы

• Всего 4 CPU с 6-8 ядрами каждый
• Общий объем памяти от 128 до 192 ГБ
• Жесткий диск с минимум 2 ТБ
• Профессиональная GPU типа Tesla K40

Рабочие станции

• Всего 2 CPU с 6-8 ядрами каждый
• Общий объем памяти 48 ГБ
• Минимальный объем твердотельной памяти 1 ТБ
• GPU:
  • QUADRO M5000 (вычисления)
  • Quadro K1200 (визуализация)