Svenskt initiativ för energieffektiv vetenskaplig programvar
- Diarienummer
- ITM24-0213
- Projektledare
- Pall, Szilard
- Start- och slutdatum
- 260101-281231
- Beviljat belopp
- 9 999 673 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Beräkningvetenskap och tillämpad matematik
Summary
Detta projekt syftar till att utveckla nya programvarubaserade tekniker för att förbättra svenska nyckelapplikationer för vetenskapliga högprestandaberäkningar, samt säkerställa att forskare effektivt kan nyttja nästa generations beräkningsresurser. Arbetet kommer att leda till förbättringar i tre internationellt erkända applikationer med utveckling på KTH: GROMACS (molekyldynamik), Neko (beräkningsströmningsdynamik) och VeloxChem (kvantmekanisk kemi), genom utvecklandet av innovativa algoritmer som använder reducerad precisionsaritmetik och dataformat, förbättrade tekniker för dataförflyttning samt mer effektiva processer för lastbalancering. Huvudsyftet är att förbättra energi-till-lösning (ett mått för energikonsumptionen av en simulering) och skalbarhet för att möjliggöra studier av större och mer komplexa problem. Våra resultat kommer att bidra till att framdriva forskningen inom dessa tre viktiga forskningområden samt stärka Sveriges roll inom hållbara vetenskapliga beräkningar.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.