Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Analysis of the computer simulation speed up by using the graphics processor on the example of heat conduction problem

Damian Pokrop

Abstract

Numerical approach to solve thermal flow issues is a very complex problem and can be quite challenging for modern computers. Despite the constantly increasing processors speed (described in detail by Moore’s law) their performance is still insufficient, which force engineers to look for new methods, that could reduce the time of scientific computing. The rapid development of graphics cards (mainly caused by people great interest in video games all over the world), in particular enabling parallelism, has provoked discussion about using them in tasks unrelated to generating images. New technological solutions, which lately appeared on the consumer market, like CUDA and OpenCL interfaces have made graphics devices more programmable with a relatively small amount of work spent on original source code modifications. The main goal of this work was to create numerical source code, that could easily solve unsteady energy transfer equation by using Finite Element Method (FEM) technique and describing possible speedup of numerical simulations obtained by using new architecture called NVIDIA CUDA. Furthermore I pointed out some difficulties and benefits of rewriting source code to CUDA architecture. All software tools, which helped me measure a possible speedup of making calculations, were created by me using CUDA C, C++ and Finite Element Method. Careful study of the implementation of the new technology in engineering calculations made me believe that this is the right path for applications to achieve better performance. I have shown the comfortable and efficient way to accelerate computing by using typical freely available hardware. Results obtained in this work should encourage programmers to implement idea of massively parallel computations running on graphics cards in programs, which can help scientists solve complicated problems in many time and dimensions scales
Record ID
WUTb01f6f9c654e426a8c5274e73c2b510f
Diploma type
Master of Science
Author
Damian Pokrop (FPAE/IHE) Damian Pokrop,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Analiza możliwości przyspieszenia obliczeń przy wykorzystaniu procesora graficznego na przykładzie zagadnienia przewodzenia ciepła
Supervisor
Mirosław Seredyński (FPAE/IHE) Mirosław Seredyński,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Mechanika i Budowa Maszyn
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
20-01-2012
Issue date (year)
2012
Pages
55
Internal identifier
MEL; PD-1681
Reviewers
Mirosław Seredyński (FPAE/IHE) Mirosław Seredyński,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Tomasz Wiśniewski (FPAE/IHE) Tomasz Wiśniewski,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
CUDA, GPU, NVIDIA, OpenCL, przewodzenie ciepła, MES, obliczenia równoległe.
Abstract in Polish
Zagadnienia cieplno przepływowe rozwiązywane metodami numerycznymi cechują się znaczną złożonością, a rozwiązywanie ich jest poważnym wyzwaniem dla współczesnych komputerów. Pomimo nieustannego wzrostu wydajności procesorów (zjawiska opisanego prawem Moore’a) ich prędkość działania wciąż jest niewystarczająca, co skłania do poszukiwania ulepszeń i alternatywnych metod, pozwalających na skrócenie czasu obliczeń inżynierskich. Intensywny wzrost wydajności kart graficznych, wywołany głównie ogromnym zainteresowaniem grami komputerowymi na całym świecie oraz zastosowanie w nich układów umożliwiających obliczenia równoległe, sprowokowały dyskusję o możliwości zastosowania ich do zadań wykraczających poza generowanie obrazu. Pojawienie się interfejsów ogólnego przeznaczenia typu OpenCL oraz CUDA, pozwalających na programowanie obliczeń na kartach graficznych, znacznie ułatwiły szerokiemu środowisku programistycznemu wykorzystanie ich mocy obliczeniowej przy relatywnie niewielkich nakładach pracy na modyfikację kodów numerycznych. Celem poniższej pracy było opracowanie kodu numerycznego pozwalającego na rozwiązanie nieustalonego równania transportu energii w oparciu o technikę elementów skończonych (MES) oraz określenie możliwości przyspieszenia wykonywania symulacji numerycznej po przeniesieniu na architekturę karty graficznej (CUDA). Dodatkowo przeprowadzono dogłębną analizę trudności i spodziewanych korzyści związanych z przenoszeniem kodu obliczeniowego na architekturę CUDA. Korzystając z narzędzi napisanych samodzielnie przygotowanych w językach programowania C++ i CUDA C, wykorzystujących Metodę Elementów Skończonych, dokładnie zbadano możliwe przyspieszenie wykonania obliczeń numerycznych. Staranne studia nad wdrożeniem nowej technologii do obliczeń inżynierskich przekonały mnie, że jest to niezwykle obiecująca droga w kierunku przyspieszenia i zoptymalizowania obliczeń oraz zwróciły uwagę na problemy niespotykane w tradycyjnym programowaniu procesorów sekwencyjnych. Pokazano, jak w skuteczny, komfortowy i ekonomiczny sposób można uzyskać znaczne przyspieszenie operacji numerycznych mając do dyspozycji wyłącznie standardowy, szeroko dostępny sprzęt obliczeniowy. Rezultaty uzyskane w niniejszej pracy zachęcają do wdrożenia obliczeń równoległych na kartach graficznych do rozwiązywania skomplikowanych problemów zachodzących w wielu skalach czasowych i przestrzennych za pomocą metod komputerowych
File
  • File: 1
    Pokrop_Damian_dyplom_magisterski.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTb01f6f9c654e426a8c5274e73c2b510f/
URN
urn:pw-repo:WUTb01f6f9c654e426a8c5274e73c2b510f

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page