Metodologia de paralelização híbrida do DEM com controle de balanço de carga baseado em curva de Hilbert

Abstract

Esta tese apresenta uma metodologia de paralelização híbrida aplicada ao Método dos Elementos Discretos (DEM - Discrete Element Method) que combina MPI e OpenMP com o intuito de melhoria de desempenho computacional. A metodologia utiliza estratégias de decomposição de domínio visando a distribuição do cálculo de modelos de larga escala em um cluster. A técnica proposta também particiona a carga de trabalho de cada subdomínio entre threads. Este procedimento adicional visa obter maiores desempenhos computacionais através do ajuste de utilização de mecanismos de troca de mensagens entre processos e paralelização por threads. O objetivo principal da técnica é reduzir os elevados tempos de comunicação entre processos em ambientes computacionais de memória compartilhada tais como os processadores modernos. A divisão de trabalho por threads emprega a curva de preenchimento de espaço de Hilbert (HSFC) visando a melhoria de localidade dos dados e evitando custos computacionais (overheads) resultantes de ordenações constantes para o vetor de partículas. As simulações numéricas apresentadas permitem avaliar os métodos de decomposição de domínio, técnicas de particionamento, mecanismos de controle de acesso à memória, dentre outros. Algoritmos distintos de particionamento e diferentes estratégias de solução paralela são abordados para ambientes computacionais de memória distribuída, compartilhada ou para um modelo híbrido que envolve os dois ambientes. A metodologia desenvolvida e a ferramenta computacional utilizada nas implementações realizadas, o software DEMOOP, fornecem recursos que podem ser aplicados em diversos problemas de engenharia envolvendo modelos de partículas em larga escala. Nesta tese alguns destes problemas são abordados, em especial aqueles relacionados com fluxo de partículas em rampas, em funis de descarga e em cenários reais de deslizamento de terra. Os resultados mostram que as estratégias de execução híbridas atingem, em geral, melhores desempenhos computacionais que aqueles que se baseiam unicamente em troca de mensagens. A técnica de paralelização híbrida desenvolvida também obtém um bom controle de balanço de carga entre threads. Os estudos de caso apresentados apresentam boa escalabilidade e eficiências paralelas. O método proposto permite uma execução configurável de modelos numéricos do DEM e introduz uma estratégia combinada que melhora localidade dos dados e um balanceamento de carga iterativo.