Fluidodinamica computazionale su cluster Gigabit Ethernet: il ruolo del software di comunicazione

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1 Fluidodinamica computazionale su cluster Gigabit Ethernet: il ruolo del software di comunicazione Giuseppe Ciaccio DISI -- Universita di Genova

2 Calcolatori Cluster + CPU commodity = rivoluzione nel calcolo parallelo giugno 2007: Organizzazione % Rmax tot. Rpeak tot. CPU tot. NUMA + vector 21% 1970 TF 2438 TF 602 K Cluster 75% 2802 TF 4488 TF 570 K Costellazione 4% 175 TF 257 TF 47 K

3 Calcolatori Cluster + CPU commodity = rivoluzione nel calcolo parallelo giugno 2007: CPU family % Rmax tot. CPU tot. Intel EM64T 46% 1793 TF 275 K AMD x86_64 21% 941 TF 270 K Intel IA64 6% 410 TF 75 K

4 Gigabit Ethernet: grande successo nei calcolatori paralleli giugno 2007: Interconnect family % Rmax tot. Rpeak tot. CPU tot. Gigabit Ethernet 41% 1205 TF 2205 TF 254 K Infiniband 26% 1243 TF 1749 TF 223 K Myrinet 9% 386 TF 581 TF 92 K

5 Gigabit Ethernet: perche tanto successo? Basso costo, ottimo rapporto prestazioni/costo Prestazioni adeguate per molte applicazioni di calcolo parallelo Facile da reperire e installare Molto software gratuito disponibile (Linux, TCP/IP, MPI...) Prestazioni adeguate ma non esaltanti...

6 Prestazioni adeguate ma non esaltanti Hardware: latenza di comunicazione elevata Latenza di uno switch Gigabit: piu di 3 usec, equivalenti a migliaia di operazioni in virgola mobile Ma soprattutto: software di comunicazione inefficiente Latenza di MPICH-2/Nemesis/TCP/Linux: circa 50 usec (NIC: Intel PRO/1000, switch incluso) Conseguenza: cattive prestazioni per messaggi "corti"

7 Struttura tradizionale sender receiver Applicazione utente Applicazione utente MPICH-2 CH3 NEMESIS socket TCP IP driver Network Adapter MPICH-2 CH3 NEMESIS socket OS scheduler TCP IP driver Network Adapter Gigabit Ethernet

8 GAMMA: Genoa Active Message MAchine Applicazione utente Applicazione utente MPI/GAMMA MPI/GAMMA ADI GAMMA ADI GAMMA driver Network Adapter driver Network Adapter Gigabit Ethernet

9 MPI/GAMMA: prestazioni interessanti... Hardware: latenza di comunicazione invariata Software di comunicazione piu efficiente: Latenza di MPICH-2/Nemesis/TCP/IP: circa 50 usec Latenza di MPI/GAMMA: circa 11 usec (NIC: Intel PRO/1000, switch incluso) Conseguenza: migliori prestazioni per messaggi "corti" Quale impatto sulle applicazioni?

10 OpenFOAM Una suite di strumenti per CFD risolutori, modelli, pre/post-processing, mesh processing C++, open source, progettato per UNIX e GNU/Linux software libero, licenza GNU GPL v. 2 Elaborazione parallela: MPI Gratuito!

11 Search Go OpenCFD Solutions Contact OpenFOAM Features of OpenFOAM Back to OpenFOAM Home SOLVERS UTILITIES LIBRARIES OpenFOAM FEATURES Solvers Creating solvers Standard solvers Pre-processing The FoamX case manager Other pre-processing utilities Post-processing The parafoam post-processor Third-party post-processing Other post-processing utilities Mesh processing Mesh generation Mesh converters Mesh manipulation Model libraries Turbulence Large-eddy simulation (LES) Transport models Thermophysical models Lagrangian particle tracking Chemical kinetics Other features Linear system solvers ODE system solvers Parallel computing Mesh motion Numerical method Creating solvers Standard solvers: Basic CFD Incompressible flows Compressible flows Multiphase flows DNS and LES Combustion Heat transfer Electromagnetics Solid dynamics Finance Pre-processing The FoamX case manager Other pre-processing utilities Post-processing The parafoam post-processor Third-party post-processing Other post-processing utilities Mesh processing Mesh generation Mesh converters Mesh manipulation Model libraries Turbulence Large-eddy simulation (LES) Transport models Thermophysical models Lagrangian particle tracking Chemical kinetics Other features Linear system solvers ODE system solvers Parallel computing Mesh motion Numerical method OpenCFD Ltd

12 OpenFOAM come benchmark Due diversi job di CFD Tratti dal tutorial di OpenFOAM "Motorbike": aerodinamica di una motocicletta in corsa regime stazionario, incomprimibile, Spalart-Allmaras, 2.3 Mcelle "PitzDaily3D": flussi in un impianto di combustione regime transitorio, LES, incomprimibile, SGS Yoshizawa, 244 Kcelle Confronto: MPICH-2, OpenMPI, LAM, MPI/GAMMA Hardware: cluster di 18 Gigabit Ethernet Scheda di rete: Intel PRO/1000. Altri dettagli agli atti

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15 "Motorbike": prestazioni Wall-clock time per 50 steps, in secondi #cpu x #nodi MPI/GAMMA MPICH-2 OpenMPI LAM 2 x x x x x x

16 "PitzDaily3D": prestazioni Wall-clock time per 400 timesteps, in secondi #cpu x #nodi MPI/GAMMA MPICH-2 OpenMPI LAM 2 x x x x x x

17 Alcune osservazioni (banali)... Risoluzione in regime stazionario: non sembra dipendere da latenza Occorre provare con un numero di nodi assai piu grande... Simulazione in transitorio: molto piu sensibile alla latenza Lo e gia con pochi nodi, perche la mesh e "piccola" Piu nodi = piu traffico in rete, e messaggi piu corti Scenario sempre piu favorevole alle interconnessioni a bassa latenza Un software di comunicazione efficiente diventa determinante.

18 GAMMA: Svantaggi Richiede driver di rete "modificato" Due driver disponibili al momento (Intel PRO/1000 e Broadcom Tigon3) Si appoggia ad alcune strutture "interne" di Linux Difficile compilare come modulo di Linux Non e semplice da installare Occorre dimestichezza nell installare un Linux kernel MPI/GAMMA e standard MPI-1 ma non MPI-2 Pero molte applicazioni MPI in realta usano solo MPI-1

19 Riferimenti OpenFOAM e prodotto da OpenCFD, Ltd (UK) Henry Weller < opencfd.co.uk > GAMMA e ormai solo un mio hobby (e il tempo libero scarseggia) Giuseppe Ciaccio < disi.unige.it >

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