Swedish Energy-Efficient Scientific Software Initiative
- Reference number
- ITM24-0213
- Project leader
- Pall, Szilard
- Start and end dates
- 260101-281231
- Amount granted
- 9 999 673 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
This project aims to develop novel software-based techniques to enhance key Swedish scientific high performance applications and ensure that researchers can efficiently harness next-generation computing resources. Our work will enhance three internationally renowned applications developed at KTH, GROMACS (molecular dynamics), Neko (computational fluid dynamics) and VeloxChem (quantum chemistry), through development of innovative algorithms using reduced precision arithmetic and data formats, improved data movement techniques, and more efficient domain-specific load balancing schemes. The main purpose is to improve energy-to-solution (the measure of energy use of a simulation) and scalability to enable larger and more complex problems to be tackled. Our results will contribute to empowering research in the three key science domains and strengthen Sweden’s role in sustainable scientific computing.
Popular science description
Med datorernas framväxt har beräkningstekniker etablerats som vetenskapens “tredje pelare”, jämte teori och experiment. Dessa gör det möjligt för forskare att skapa komplexa datormodeller för att besvara frågor som annars hade varit omöjliga eller opraktiska att studera, t.ex. hur läkemedel påverkar rörelserna hos ett neuralt protein eller hur ändringar i luftströmmar påverkar klimatet. I takt med att dessa modeller blivit både större och mer exakta har även prestandakraven ökat, vilket drivit forskare att ständigt söka större superdatorkluster med den senaste hårdvaran. Det finns dock ett problem: vi närmar oss nu fysikaliska gränser inom processordesign, vilket leder till kraftigt ökade energikrav för beräkningar. De senaste systemen har redan nått en energiförbrukning på gigawatt-nivå, vilket motsvarar produktionen från ett genomsnittligt kärnkraftverk. Eftersom behovet för beräkningar enbart väntas öka i samhället, är det centralt att dessa blir mer energimässigt hållbara. Målet med projektet är att ta itu med några av de största energiförbrukarna inom högprestandaberäkningar: förflyttning av stora datamängder, resursunderutnyttjande orsakat av felbalanserade beräkningslaster samt missmatchning mellan mjukvara och nya hårdvarutyper. Dessa kommer att åtgärdas i tre världsledande vetenskapliga programvaror för molekyldynamik (GROMACS), kvantkemi (VeloxChem) och beräkningsströmningsdynamik (Neko), vilket kommer att bidra till forskningen inom bl.a. läkemedelsutveckling, klimatmodellering och teknisk utveckling. En av de operationer som drar mest energi är förflyttning av stora mängder data. En dator behöver ständigt flytta siffror mellan minnet och olika beräkningsenheter, men om dessa istället kan representeras med lägre precision kan mängden data som måste flyttas minska drastiskt. En annan aspekt som leder till högre energiförbrukning är om beräkningarna inte kan fördelas över datorarkitekturen på ett balanserat sätt, vilket leder till att resurserna underutnyttjas. Även trenden med snabbt ökande mångfald för processortyper komplicerar situationen, då detta ökar kraven på specialiserad anpassning av programvaran. Det krävs således ett nytt fokus på energieffektiviteten i utvecklingen av framtidens vetenskapliga beräkningsinstrument. Detta är inte enbart viktigt av miljömässiga skäl, utan gör det också möjligt för forskare att ta sig an ännu större vetenskapliga utmaningar.