FlexCSPH：下一代FlexSIBle光滑粒子流体动力学并行计算基础设施的开放获取文章

SoftwareX 12（2020）100602原始软件出版物FlexCSPH：下一代FlexSIBle光滑粒子流体动力学并行计算基础设施Julien Loiseaua，a，b，c，Hyun Lima，b，c，Mark Alexander Kaltenbornb，c，d，Oleg Korobkina，c，Christopher M.Mauneyc，e，Irina Sagertb，c，Wesley P.即使是B，C，F，本杰明K。卑尔根aa应用计算机科学组，洛斯阿拉莫斯国家实验室，洛斯阿拉莫斯，NM 87545，美国b计算物理和方法组，洛斯阿拉莫斯国家实验室，洛斯阿拉莫斯，NM 87545，美国c美国洛斯阿拉莫斯国家实验室理论天体物理中心，邮编87545d物理系，乔治华盛顿大学，华盛顿特区20052，美国e HPC Environments Group，LosAlamos National Laboratory，Los Alamos，NM 87545，USAf美 国 犹 他 州 锡 达 城 南犹他大学物 理 科 学 系 ， 邮编：84720ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收22六月2020收到修订版2020年9月10日保留字：光滑粒子流体动力学树形拓扑高性能计算a b st ra ctFleCSPH是一个基于编译时可配置框架FleCSI的平滑粒子流体动力学仿真工具。异步分布式树拓扑结构与快速多极方法相结合，使FleCSPH能够有效地计算流体力学和长距离FleCSPH提供了初始数据生成器、粒子松弛技术和标准演化驱动程序，这些驱动程序可以很容易地修改和扩展到用户特定的设置。数据输入/输出使用H5部分格式，与现代可视化软件兼容©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.2.1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_268法律代码许可证BSD 3条款许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用C++17、MPI、OpenMP。编译 要求， 操作 操作系统：Linux/OSX.DEP：FleCSI、HDF5、GSL链接到开发人员文档/手册github.com/laristra/flecsph/wiki问题支持电子邮件flecsph-support@lanl.gov1. 动机和意义FleCSPH是一个开源分布式平滑粒子流体动力学（SPH）代码，构建在洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发的灵活计算科学基础设施（FleCSI）[1]FleCSI是一个基于任务的运行时抽象层，为分布式内存任务（Legion [2]）和细粒度数据并行内核（Kokkos [3]）提供无缝编程模型，具有几种核心拓扑类型，可以静态专用化以支持各种应用方法。使用FleCSI时，FleCSPH有可能将应用程序实现与*通讯作者。电子邮件地址：jloiseau@lanl.govwww.example.com Loiseau）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100602机器架构，尽管目前只实现了MPI后端。SPH是一种无网格拉格朗日方法，通过使用一组称为粒子的流体元素对流动进行离散来求解流体动力学的偏微分方程[4，5]。SPH有几个优点，包括处理复杂的几何形状和支持真正的真空条件。质量守恒是包括建设，和守恒的线动量，角动量和能量可以实现机器精度。由于这些量存储在运动的粒子中，SPH具有精确和自动平流的优点此外，用于确定粒子邻居的相同树结构可以用于计算引力，如第2节中针对FleCSPH所述。SPH颗粒可以携带材料的应力历史，以确定损坏、模型断裂和固体破碎[6]。反应过程复杂2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxJ. 卢瓦索河Lim，M.A.Kaltenborn等人SoftwareX 12（2020）1006022⃗=+·⃗ρ∑=| −|=+ρ2DTDT =−ρ2+ρ2+δab2（）下一页dtρ=∑mb（+（4）第一次世界大战结束后B一B流很容易被纳入SPH模型[7]。总的来说，近年来出现了许多实现SPH方法的代码，证明了其流行性和效率[8在本文中，我们概述了FleCSPH的主要特点。该软件的初始版本在[17]中描述，而随后的扩展在这里介绍。2. 软件描述FleCSPH是用C++编写的，用于UNIX计算和超级计算平台，利用了C++和标准模板库（STL）的现代功能[18]。CMake [19]提供构建系统，FleCSPH可以与Spack [20]集成以构建构建和运行时环境。粒子数据以H5part格式输出[21]，与现代可视化软件兼容，如SPLASH [22]，Paraview [23]或VisIt [24]。支持模拟检查点和重启2.1. 软件构架驱动程序和初始数据生成器。 主要的用户提供两个驱动器来在有重力和没有重力的情况下发展流体动力学。用户还可以使用不同的数值演化方案为更高级的物理模型扩展现有的驱动程序集，并创建自定义粒子系统生成器。 提供了一套初始数据发生器，包括：五个标准的Sod激波管，Sedov爆炸波，Noh内爆，以及物理功能。SPH‘这类元素由各种粒子物理性质组成，例如，密度和速度，标准的mutator和accessor允许定制的访问控制。FleCSPH提供了一系列内核、两种SPH公式、几种粘度处方、粒子松弛机制、外部保守力和多个状态方程（EOS）。物理学功能的选项列表在项目wiki页面的开发者注释中有描述这些功能被分类到不同的C++头文件中。参数文件。 物理和数值方法的选择是在运行时根据ASCII提供的选项生成的使用键值语法的参数文件。参数文件spec-在节点质心（center of mass，CWM）的位置上。为了解决任何密钥冲突，每个粒子都被分配了一个唯一的ID。用于分配hcell的哈希函数采用密钥的最后N位，在树的底部提供完美的分布，并在树的顶部提供连续的存储，这更经常被访问。这种表示允许分支的父分支或子分支通过在它们的键中添加或删除一个数字并访问哈希表来轻松定位，平均操作顺序为O（1）创建分布式树需要几个步骤。一是粒子被单独地添加到树中，并且必要的节点被细化，直到粒子被隔离在它们自己的节点中。 节点被细化为2D子实体，其中D是维度。在创建了本地树之后，关于顶部部分的信息在MPI等级之间交换。使用超立方体通信模式，所有等级共享有用的数据，从而产生一棵树，其中每个未知节点只属于另一个MPI等级。FleCSPH用SPH实现流体力学，用快速多极方法（FMM）实现重力。虽然SPH只计算短程力，但重力是一种远程相互作用，需要全球通信。短距离和长距离力的两种情况都由相同的粒子树处理，但使用了两种不同类型的树遍历：SPH和FMM。树遍历是在同一个节点上的一组粒子上执行的，使用CNOMM边界信息来修剪树的空区域。构建每个粒子的邻居列表，并在遍历期间调用物理函数。当遇到非本地节点时，等级使用异步MPI向所有者请求缺失的信息，同时继续遍历其他粒子。当数据到达时，它被添加到树中并用于完成邻居列表。2.2. 软件功能2.2.1. FleCSPH中的SPH配方FleCSPH数值求解理想流体的拉格朗日方程，表达质量、动量和能量守恒：dρdt=−ρε·vε，（1）dv=−P+g，（2）杜普dρ=，（3）ifies选项，如粒子数、SPH内核和边界条件完整的选项列表位于wiki页面。FleCSPH参数文件是简洁和人类可读的模拟条件记录，允许简单的再现性.树形拓扑。 FleCSPH使用散列树[25，26]，也称为二叉树，四叉树或八叉树，分别为1，2或3维。空间填充曲线用于域分解和哈希表构造。这样就可以找到--式中，ρ为密度，d/dt阿勒特v是对流导数，v是流体速度，u是比热能，P是压力，g是外部加速度。 重力加速度由流体自身重力、外部重力场或两者决定。对于SPH离散化，我们使用最简单的公式之一[28]。欧拉方程用体积元Vb=mb/ρb离散，并增加一个人工粘性项Vab一个节点的父节点或子节点的平均时间为O（1）。Morton [27]（Z阶）和Hilbert空间填充曲线都被实现，它们显示出更快的密钥计算或更好的粒子图1绘制了树拓扑图。中央数据结构杜乌阿dtdvaPa12Ba∑（PaPb）这棵树是一个hash table。它存储细胞，表示为hcell，可以同时表示粒子和节点。一个hcell是由一个二进制字符串键来标识的，这个键是根据空间填充曲线和它们所代表的细胞类型确定的：对于粒子，键是直接从它们的坐标计算出来的;对于节点，键是根据其中W abW（r ar b，h ab）和h ab（h a h b）/2。密度不是演化的，而是从粒子位置重建ρa=m b W ab.（六）BDT地方，分别。MbWab+ga，（5）J. 卢瓦索河Lim，M.A.Kaltenborn等人SoftwareX 12（2020）1006023ρρ{=0（）下一页⃗=×=-∑|⃗3ABR|⊙==−2∈∈一DT2一2B=+2dea∑Pav<$Pbv<$v<$+v<$图1.一、树的拓扑表示与域的分解使用Z-顺序，树表示这个域的 实 体 使用关联键。对于粘滞应力张量 Rsab ，我们遵循标准公式[28 ，29].或者，FleCSPH具有所谓的热动力学公式[28]的实现，其中总粒子能量被演化为：ea ua1v2。能量方程的相应离散化版本如下：=−mb（b+a+aba b）·aWa b.（七）BStörmer–Verlet algorithm is used for time integration自适应平滑长度ha允许放置粒子3. 说明性实例在本节中，我们提供了几个测试用例来演示验证和功能。所有测试用例的详细说明可以在wiki页面中找到3.1. 基本流体力学问题：Sod激波管试验Sod激波管是一个标准的测试，具有以下初始参数的经典需要更高的分辨率[28，31，32]。根据以下表达式调整平滑长度：（ρ，v，p） （1. 0，0。0，1。0），则为0。0 θMAC，较大的节点被分成子节点以细化交互。图 5示出了合并双WD二进制的四个帧。使用零温度WD EOS[43]，同向旋转系统由21，295个粒子组成，初始周期为40.1 s。为了限制这个例子的模拟时间，粒子数被降低，轨道被选择为使得恒星立即转移质量并在单个轨道周期内合并。在自然界中，恒星会在更宽的轨道上开始缓慢地转移质量，这个过程会在许多轨道周期内演变，但最终会达到一个质量相似的状态。3.4. 扩展性图图6展示了FleCSPH在LANL超级计算集群Grizzly和Capulin上的强缩放和弱缩放。 Grizzly是一个运行RHEL Linux v.7.7的8-SU集群，它具有双插槽2.1 GHz 18核英特尔Broadwell E5 2695v4处理器，每个节点上有45 MB高速缓存和128 GB RAM。Capulin是Cray公司的高级RISC机器集群（ARM）56个内核，采用同步多线程（SMT）模式，每个内核4个线程，每个节点256 GB RAM。Capulin上的缩放运行上限为32个核心/节点。不同粒子数的振荡星系图三. 一维Sod激波管有一万个粒子。面板，从顶部开始到底部：密度、压力、比内能和速度。每个面板包含四个不同的时间。黑色虚线表示解析解。两两相互作用下的精确N体引力和不同tanθMAC值下的FMM实现。引力能以基频振荡。不同MAC值的引力能演化不同，但当MAC角减小时，结果接近N体情况由于O（N2）算法精确地计算引力，这为FMM实现提供了验证.FMM算法可以在泰勒展开[34，37]中扩展到更高阶，以提供与精确N体方案更好的一致性。然而，角动量守恒在高阶时会失效，需要特殊的技术来恢复它[38]。3.3. 白矮星双星（White dwarf binary）SPH的一个突出应用是恒星合并[39在这里，我们提出了一个二元白矮星（WD）的模拟。设置系统球形粒子分布是为单个WD生成的，类似于第3.2节中的设置。然后将这些配置放置在开普勒轨道上。用于两项试验（见第3.2节）。对于秩数从1到32的作业，我们使用单个节点，对于较大的作业，作业-多个节点，每个节点有32个等级。这表现在Grizzly上的强大扩展效率在32而64个等级是由于节点间数据传输。在Capulin上，由于SMT线程之间的上下文切换增加，效率会降低。对于弱缩放，由于并行开销，效率在1和2等级之间下降，但随后保持相对平坦。总体而言，SPH和FMM树遍历显示出相当的缩放。与具有二次复杂度的精确N体不同，FMM算法具有线性（甚至次线性）复杂度[37]。对于FleCSPH，这在图的右下面板中示出。六、SPH树遍历的复杂度预计为O（NlogN），这在FleCSPH中对于最高数量的粒子是满足的。FMM算法的时间依赖于MAC角度图6中的左上面板示出了作为MAC的函数的单个FMM树遍历在极端情况下，MAC0简化为精确的N体，而MAC 1对应于接触的节点，即，接受任何不相交的节点。对于38，000个粒子，两个极端之间的加速几乎是三个数量级，对于更大数量的粒子，这将更高。这是一个中等的代价，因为使用更高的MAC会降低代码的准确性，如图所示。 四、J. 卢瓦索河Lim，M.A.Kaltenborn等人SoftwareX 12（2020）1006025=见图4。一颗恒星在接近平衡时的振荡（14，993个粒子）。左上图：精确N体引力和FMM近似的引力能演化，三个不同的MAC值：tanθMAC0的情况。2、0.3和0.5。右上面板：ParaView粒子位置的3D渲染。最下面一行：特定线动量（右）和角动量（左）。4. 影响结论图五、 双星白矮星合并中的粒子密度。使用几个标准流体动力学测试和一些天体物理应用的例子，说明FleCSPHFleCSPH被设计成一种高性能便携式颗粒流体动力学仿真工具，面向探索现代异构体系结构和大规模并行。它为研究人员编写高效的应用程序开辟了一条简单的途径，这些应用程序将在规模上执行，适用于那些可以从无网格方法中受益的领域。它的模块化设计允许用户扩展初始的在这项工作中，我们展示了结构FleCSPH从概念上就被设计成使用编译时可配置框架FleCSI，其功能编程模型用于执行、控制和数据抽象，这些模型与MPI和基于任务的运行时系统（如Legion（分布式）或Kokkos（节点级））一致。但是，当前版本的FleCSPH并没有利用FleCSI中提供的所有功能：它仅限于支持J. 卢瓦索河Lim，M.A.Kaltenborn等人SoftwareX 12（2020）1006026见图6。顶行：两个集群（Grizzly和Capulin）上FMM和SPH树遍历时间的弱（左）和强（右）缩放效率。弱缩放使用5000个粒子每等级和强缩放使用107 粒子左下角：作为MAC函数的每次迭代花费的时间。右下角：单个FMM和SPH的时序树 上单个结点的遍历作为粒子数N的函数，以及符合幂律的Nα 和N log N。拟合证明了渐近复杂性时间复杂度为O（N），时间复杂度为O（NlogN）。MPI后端。未来的开发计划包括将更多的FleCSI功能整合到FleCSPH中。作为其最近的目标，FleCSPH将解决涉及高度不规则形态和对守恒性质敏感的天文物理学问题。这类问题的例子包括白矮星或中子星的合并，黑洞对恒星的潮汐破坏，后退吸积，行星撞击等等。FleCSPH目前被LANL的科学家用来解决这些研究课题，也被用作LANL计算科学和物理学生课程参与者的教育工具随着SPH技术的最新进展，已经开发了新的代码[9，10，13]，带来了解决这些困难的研究问题所需的保真度。FleCSPH将在开源环境中具有性能可移植性，这将允许其用户大规模研究天体物理学和流体力学中的重大开放问题。未来发展的几个自然途径包括新的多物理应用，如La- grangian磁流体动力学[44]，通量限制扩散近似中的辐射传输[45]，以及与其他方法的耦合，如Monte Carlo方法[46]。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者感谢Gary Dilts，Chris Fryer，Pascal Grosset，ChristophJunghans，Jonah Miller，Nick Moss，Brett Okhyusen和StephanRosswog的讨论。这项工作得到了LANL ASC计划和LDRD赠款20190021DR的支持，20200145ER。开发使用LANL机构计算计划资源。LANL由TriadNational Security，LLC为美国能源部国家核安全管理局运营（合同编号：89233218CNA000001）。引用[1]Bergen BK，Charest MRJ.灵活计算科学基础设施（Flexible ComputationalScience Infrastructure ， FleCSI ） ： 概 述 & 应 用 进 展 。 Tech. 代 表 ， LosAlamos，NM（美国）：Los Alamos National Lab。（LANL）; 2017年。[2]Bauer M，Treichler S，Slaughter E，Aiken A. 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