Mendobrak Penghalang Simulasi Miliaran Partikel dengan Altair EDEM

Mensimulasikan bagaimana material curah dan granular berinteraksi dengan peralatan, wadah, dan satu sama lain merupakan kemampuan penting bagi organisasi industri, manufaktur, dan ilmu hayati. Semakin besar simulasi ini, semakin akurat simulasi tersebut, sehingga mengurangi waktu dan biaya yang harus dikeluarkan perusahaan untuk melakukan iterasi desain dan prototipe.

Altair dan Google Cloud baru-baru ini berkolaborasi untuk melihat seberapa besar simulasi yang dapat mereka hasilkan menggunakan Altair® EDEM™ pada satu mesin virtual Google Cloud.

Tantangan

Pengujian fisik peralatan dan bahan dapat memakan biaya dan waktu. Perusahaan teknik sering kali membangun lingkungan pengujian virtual untuk membantu mengurangi biaya ini menggunakan alat seperti aplikasi perangkat lunak EDEM Altair. Hal ini memberikan para insinyur wawasan rinci tentang dinamika sistem yang sulit dipelajari secara eksperimental, terutama ketika berhadapan dengan sejumlah besar partikel dan interaksi kompleks. Dengan menguji dan memodifikasi desain secara virtual, para insinyur dapat mengurangi kebutuhan akan pembuatan prototipe fisik yang ekstensif, sehingga dapat menghemat waktu dan uang.

Simulasi Metode Elemen Diskrit (DEM) juga menuntut komputasi. Semakin banyak partikel yang disimulasikan, semakin tinggi sumber daya komputasi yang dibutuhkan. Partikel yang lebih banyak dapat menghasilkan resolusi yang lebih tinggi dan representasi yang lebih akurat dari perilaku fisik material yang disimulasikan, namun partikel tersebut memerlukan komputasi mentah dan memori dalam jumlah besar yang disediakan oleh infrastruktur yang mendasarinya.

Solver berbasis GPU EDEM

Dalam beberapa tahun terakhir, EDEM mendapat manfaat dari pengembangan teknologi GPU dan multi-GPU berdasarkan teknologi NVIDIA, yang telah meningkatkan kinerja sehingga memungkinkan simulasi yang lebih besar dan kompleks. Contoh di bawah ini menunjukkan kecepatan yang dicapai menggunakan GPU dan multi-GPU dengan kartu NVIDIA berbeda untuk simulasi sinter bijih besi skala nyata dalam saluran transfer .

Kolaborasi Altair dan Google Cloud

Pada Mei 2023, Google Cloud mengumumkan ketersediaan mesin virtual (VM) A3 dengan GPU NVIDIA H100. VM A3 menggabungkan GPU NVIDIA H100 Tensor Core dengan CPU modern, menawarkan memori host yang lebih baik dan peningkatan jaringan besar-besaran, yang memungkinkan simulasi besar.

Melalui kemitraan antara Altair dan Google Cloud, kami berkolaborasi dalam dua tujuan utama: menggunakan VM A3 baru untuk mensimulasikan simulasi DEM sebesar mungkin, yang berisi satu miliar partikel, dan mengumpulkan data guna membuat perkiraan untuk memetakan jenis perangkat keras tertentu ke suatu skala simulasi yang mungkin.

Karena biaya utama yang terkait dengan simulasi DEM adalah penghitungan interaksi partikel (kontak), dua kasus didefinisikan untuk lebih memahami konsumsi memori dengan dan tanpa adanya interaksi antar partikel.

Skenario pertama mempertimbangkan penempatan partikel secara acak dalam ruang berukuran 30m x 30m x 30m tanpa gravitasi atau pergerakan partikel. Skenario kedua, yang dirancang untuk mewakili aplikasi penyimpanan partikel yang realistis, mempertimbangkan menjatuhkan partikel dari pelat bergerak secara gravitasi ke dalam wadah berukuran 6m x 6m x 26m. 

Setiap kasus disimulasikan menggunakan dua bentuk partikel berbeda untuk menganalisis pengaruh bentuk terhadap kinerja dan konsumsi memori. Bentuk yang digunakan adalah partikel bola dengan diameter 2 mm dan partikel multi bola yang terdiri dari tiga bola dalam konfigurasi segitiga, dengan ukuran rata-rata 3 mm.

Skenario pertama berhasil menjalankan simulasi DEM 1 miliar partikel untuk pertama kalinya, termasuk kemungkinan menggunakan bentuk partikel yang lebih kompleks dengan menggunakan multi-bola.

Perlu dicatat bahwa tidak ada perbedaan dalam penggunaan memori yang diamati antara bentuk partikel, dengan keduanya menggunakan memori kurang dari 30 GB per GPU, yang membuktikan bahwa tidak ada penggunaan memori tambahan karena bentuk partikel tersebut. 

Menganalisis waktu komputasi yang diperlukan untuk setiap bentuk partikel, terlihat bahwa 60% lebih banyak waktu diperlukan untuk menghitung satu detik simulasi dengan multi-bola dibandingkan dengan partikel berbentuk bola. 

Dengan skenario kedua, yang mewakili kasus yang lebih realistis termasuk interaksi partikel (kontak), diamati bahwa simulasi mampu menambahkan lebih dari 550 juta partikel sebelum memori GPU sistem dimanfaatkan sepenuhnya, dengan rekor mengesankan lebih dari 2,2 miliar interaksi. dihitung per timestep saat menggunakan partikel multi-bola. 

Skenario ini penting untuk lebih memahami konsumsi memori berdasarkan jumlah kontak per partikel, yang mewakili kepadatan sistem. Partikel multi-bola menghadirkan sistem yang lebih padat dengan rata-rata 7,9 kontak per partikel, sedangkan partikel bola menunjukkan 4,2 kontak per partikel. Ini adalah informasi yang sangat berharga bagi pengguna EDEM, memungkinkan mereka memperkirakan dengan lebih baik ukuran maksimum simulasi yang dapat dialokasikan dalam sistem ini. 

Karena kepadatan kontak yang lebih tinggi, biaya komputasi yang diperlukan untuk setiap simulasi menunjukkan peningkatan penting lebih dari tiga kali lipat untuk partikel multi-bola dibandingkan dengan bola tunggal, seperti yang diharapkan.

Dibandingkan dengan hasil dari skenario 1, diperkirakan biaya komputasi tambahan sebesar 2,7 kali lipat karena adanya kontak dalam sistem. 

Memvisualisasikan hasil

Dengan simulasi sebesar ini, tantangan terbesarnya adalah pascapemrosesan dan visualisasi data dalam jumlah besar. Menggabungkan alat visualisasi baru yang dikembangkan di Altair dan perangkat keras khusus, dimungkinkan untuk memuat dan memvisualisasikan kasus 1 miliar partikel (skenario 1). Hal ini dengan sendirinya juga merupakan pencapaian besar dan menunjukkan kemampuan teknologi postprocessing terbaru yang dikembangkan oleh Altair. Video di bawah ini menunjukkan skenario 1 menggunakan Altair HyperMesh CFD untuk pasca-pemrosesan.

Kesimpulan

Studi ini menunjukkan bahwa Altair EDEM , yang didukung oleh instance A3 di Google Cloud , dapat memecahkan masalah yang sangat menantang dalam skala besar. Dengan mensimulasikan lebih banyak partikel, para insinyur dapat membangun simulasi sistem dan material dunia nyata yang lebih akurat dan representatif dengan memanfaatkan instans yang dipercepat GPU NVIDIA.

Dengan terobosan simulasi partikel skala baru ini, industri manufaktur dapat lebih memahami dan memprediksi perilaku material granular, mengevaluasi kinerja peralatan, dan mengoptimalkan proses dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya, memungkinkan fidelitas yang lebih tinggi dan simulasi yang lebih besar di masa depan.