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.
| Наименование набора частиц | Номер частицы | Размер частицы, мм | Содержание, % (по массе) |
| Набор со сферическими частицами | 1 | 22 | 100 |
| Набор с несферическими частицами | 1 | 22 | 30 |
| 2 | 25 | 35 | |
| 3 | 30 | 30 | |
| 4 | 35 | 5 |
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.
| Потребляемые ресурсы | Использование оперативной памяти | |
| Для набора сферических частиц | Для набора с несферическими частицами | |
| CPU | 4.0 Гб | 8.0 Гб |
| CPU + GPU | 2.1 Гб + 2.5 Гб | 2.8 Гб + 4 Гб |
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)
