GOOPHI: НОВЫЙ КОД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ НА СУПЕРЭВМ, ОСНАЩЕННЫХ УСКОРИТЕЛЯМИ INTEL XEON PHI

В статье изложен новый гидроднамический код gooPhi для моделирования астрофизических течений с использованием новейших ускорителей Intel Xeon Phi с архитектурой KNL. В рамках статьи мы рассмотрим астрофизическое явление: галактику типа медуза. Известно, что основные сценарии образования таких объектов основаны на механизме набегающего давления межгалактического газа или галактического ветра, создаваемого активным ядром галактики. Однако, механизм набегающего давления может быть получен в результате столкновения га­лактик различной массы. Такой сценарий и был исследован в настоящей работе с помощью разработанного кода. Подробно описан новый векторный численный метод, реализованный в виде программного кода для массивно-параллельных архитектур. Для решения гидродинами­ческих уравнений используется модификация оригинального численного метода, основанного на комбинации метода разделения операторов, метода Годунова и HLL схемы. Такой метод объединяет все достоинства перечисленных методов и обладает высокой степенью параллелизации. В основе параллельной реализации лежит многоуровневая декомпозиция вычислений. На первом уровне используется геометрическая декомпозиция расчетной области с помощью библиотеки MPI. На втором уровне происходит декомпозиция вычислений между потоками ускорителя Intel Xeon Phi с помощью библиотеки ОрепМР. В рамках каждого потока происхо­дит векторизация вычислений средствами AVX512. Стоит отметить, что конструкция числен­ного метода допускает все виды декомпозиции вычислений. Приведены результаты верифика­ции численного метода на трех тестах Годунова и на задаче Седова о точечном взрыве. Целью первого теста является определение правильности описания контактного разрыва. Большин­ство методов решения газодинамических уравнений дает либо осцилляцию, либо диффузию («размазывание ударных волн). Авторский метод  дает размазывание ударной волны, в то же время корректно воспроизводит местоположение ударной волны, контактного разрыва и формы волны разрежения. В ходе второго теста, газ с одинаковыми термодинамическими параметрами разлетается в разные стороны, образуя в центре существенную область разреже­ния. Тест выявляет способность физически правдоподобно моделировать такую ситуацию. Из литературы известно, что многие методы дают ошибочный (нефизический) рост температуры в области сильного разрежения, и, как следствие, получаемое решение искажается. Авторский метод успешно моделирует область разрежения.

Основная задача третьего теста — проверка устойчивости численного метода. Огромный пере­пад давления (5 десятичных порядков) должен выявить способность метода устойчиво моде­лировать сильные возмущения с возникновением быстро распространяющихся ударных волн. Авторский метод успешно моделирует сильный разрыв. Задача Седова о точечном взрыве является стандартным тестом, проверяющим способность метода и его реализации воспро­изводить сильные ударные волны с большими числами Маха. Авторский численный метод достаточно хорошо воспроизводит положение ударной волны, а также профиль плотности. Подробно описаны детали и исследование параллельной реализации кода. В рамках одного Intel Xeon Phi получена производительность 173 ГигаФлопс и 48-кратное ускорение, при ис­пользовании 16 ускорителей получена 97-процентная масштабируемость. В работе мы рассмот­рели сценарий образования галактик типа медуза на основе столкновения двух карликовых галактик dSph, отличающихся на порядок по массе. Также мы рассмотрели химические про­цессы, происходящие в хвосте галактик с помощью полной системы химических реакций, и сокращенный вариант, допускающие аналитическое решение. Стоит отметить, что асимпто­тики этих решений имеют одну природу. За фронтом массивной галактики образуется хвост, в котором за счет развития неустойчивости типа Кельвина-Гельмгольца развивается аналог турбулентного течения, за счет которого хвост фрагментируется на тентакли, наблюдаемые в галактиках типа медуза. Для характерных значений температуры, а также характерной концентрации атомарного нейтрального водорода в тентаклях с помощью пакета ChemPAK было смоделировано поведение концентрации различных форм водорода, который в подавля­ющей своей части ионизировался, а молекулярный составлял несколько тысячных процента. Очевидно, что процесс образования молекулярного водорода играет меньшую роль, чем про­цессы, приводящие к ионизации водорода. В связи с этим особый интерес представляет собой аналитическое решение процесса ионизации.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 18-11-00044), построение аналитических решений выполнено в рамках бюджетной тематики ИВМиМГ СО РАН 0315^2016-0009.