Matrix-vector multiplication and triangular linear solver using GPGPU for symmetric positive definite matrices derived from elliptic equations

The modern GPUs are well suited for intensive computational tasks and massive parallel computation. Sparse matrix multiplication and linear triangular solver are the most important and heavily used kernels in scientific computation, and several challenges in developing a high performance kernel with the two modules is investigated. The main interest it to solve linear systems derived from the elliptic equations with triangular elements. The resulting linear system has a symmetric positive definite matrix. The sparse matrix is stored in the compressed sparse row (CSR) format. It is proposed a CUDA algorithm to execute the matrix vector multiplication using directly the CSR format. A dependence tree algorithm is used to determine which variables the linear triangular solver can determine in parallel. To increase the number of the parallel threads, a coloring graph algorithm is implemented to reorder the mesh numbering in a pre-processing phase. The proposed method is compared with parallel and serial available libraries. The results show that the proposed method improves the computation cost of the matrix vector multiplication. The pre-processing associated with the triangular solver needs to be executed just once in the proposed method. The conjugate gradient method was implemented and showed similar convergence rate for all the compared methods. The proposed method showed significant smaller execution time.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Il teorema di Cook-Levin e i SAT-solver

In questa tesi è trattato il tema della soddisfacibilità booleana o proposizionale, detta anche SAT, ovvero il problema di determinare se una formula booleana è soddisfacibile o meno. Soddisfacibile significa che è possibile assegnare le variabili in modo che la formula assuma il valore di verità vero; viceversa si dice insoddisfacibile se tale assegnamento non esiste e se quindi la formula esprime una funzione identicamente falsa. A tal fine si introducono degli strumenti preliminari che permetteranno di affrontare più approfonditamente la questione, partendo dalla definizione basilare di macchina di Turing, affrontando poi le classi di complessità e la riduzione, la nozione di NP-completezza e si dimostra poi che SAT è un problema NP-completo. Infine è fornita una definizione generale di SAT-solver e si discutono due dei principali algoritmi utilizzati a tale scopo.

A Parallel Solver for the Time-Periodic Navier–Stokes Equations

We investigate parallel algorithms for the solution of the Navier–Stokes equations in space-time. For periodic solutions, the discretized problem can be written as a large non-linear system of equations. This system of equations is solved by a Newton iteration. The Newton correction is computed using a preconditioned GMRES solver. The parallel performance of the algorithm is illustrated.

On an Application of Microsoft Excel’s Evolutionary Solver to the Resource-Constrained Project Scheduling Problem RCPSP

The Solver Add-in of Microsoft Excel is widely used in courses on Operations Research and in industrial applications. Since the 2010 version of Microsoft Excel, the Solver Add-in comprises a so-called evolutionary solver. We analyze how this metaheuristic can be applied to the resource-constrained project scheduling problem (RCPSP). We present an implementation of a schedule-generation scheme in a spreadsheet, which combined with the evolutionary solver can be used for devising good feasible schedules. Our computational results indicate that using this approach, non-trivial instances of the RCPSP can be (approximately) solved to optimality.

On the Extension of the Analytic Nodal Diffusion Solver ANDES to Sodium Fast Reactors

Within the framework of the Collaborative Project for a European Sodium Fast Reactor, the reactor physics group at UPM is working on the extension of its in-house multi-scale advanced deterministic code COBAYA3 to Sodium Fast Reactors (SFR). COBAYA3 is a 3D multigroup neutron kinetics diffusion code that can be used either as a pin-by-pin code or as a stand-alone nodal code by using the analytic nodal diffusion solver ANDES. It is coupled with thermalhydraulics codes such as COBRA-TF and FLICA, allowing transient analysis of LWR at both fine-mesh and coarse-mesh scales. In order to enable also 3D pin-by-pin and nodal coupled NK-TH simulations of SFR, different developments are in progress. This paper presents the first steps towards the application of COBAYA3 to this type of reactors. ANDES solver, already extended to triangular-Z geometry, has been applied to fast reactor steady-state calculations. The required cross section libraries were generated with ERANOS code for several configurations. The limitations encountered in the application of the Analytic Coarse Mesh Finite Difference (ACMFD) method –implemented inside ANDES– to fast reactors are presented and the sensitivity of the method when using a high number of energy groups is studied. ANDES performance is assessed by comparison with the results provided by ERANOS, using a mini-core model in 33 energy groups. Furthermore, a benchmark from the NEA for a small 3D FBR in hexagonal-Z geometry and 4 energy groups is also employed to verify the behavior of the code with few energy groups.

Development of a wake model for wind farms based on an open source CFD solver. Strategies on parabolization and turbulence modeling

Wake effect represents one of the most important aspects to be analyzed at the engineering phase of every wind farm since it supposes an important power deficit and an increase of turbulence levels with the consequent decrease of the lifetime. It depends on the wind farm design, wind turbine type and the atmospheric conditions prevailing at the site. Traditionally industry has used analytical models, quick and robust, which allow carry out at the preliminary stages wind farm engineering in a flexible way. However, new models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are needed. These models must increase the accuracy of the output variables avoiding at the same time an increase in the computational time. Among them, the elliptic models based on the actuator disk technique have reached an extended use during the last years. These models present three important problems in case of being used by default for the solution of large wind farms: the estimation of the reference wind speed upstream of each rotor disk, turbulence modeling and computational time. In order to minimize the consequence of these problems, this PhD Thesis proposes solutions implemented under the open source CFD solver OpenFOAM and adapted for each type of site: a correction on the reference wind speed for the general elliptic models, the semi-parabollic model for large offshore wind farms and the hybrid model for wind farms in complex terrain. All the models are validated in terms of power ratios by means of experimental data derived from real operating wind farms.

Development of AMREM: a Maxwell's equations solver with Adaptive Mesh Refinement

El principal objetivo de la presente tesis es el de desarrollar y probar un código capaz de resolver las ecuaciones de Maxwell en el dominio del tiempo con Malla Refinada Adaptativa (AMR por sus siglas en inglés). AMR es una técnica de cálculo basada en dividir el dominio físico del problema en distintas mallas rectangulares paralelas a las direcciones cartesianas. Cada una de las mallas tendrá distinta resolución y aquellas con mayor resolución se sitúan allí dónde las ondas electromagnéticas se propagan o interaccionan con los materiales, es decir, dónde mayor precisión es requerida. Como las ondas van desplazándose por todo el dominio, las mayas deberán seguirlas. El principal problema al utilizar esta metodología se puede encontrar en las fronteras internas, dónde las distintas mallas se unen. Ya que el método más corrientemente utilizado para resolver las ecuaciones de Maxwell es el de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD por sus siglas en inglés) , el trabajo comenzó tratando de adaptar AMR a FDTD. Tras descubrirse que esta interacción resultaba en problemas de inestabilidades en las fronteras internas antes citadas, se decidió cambiar a un método basado en volúmenes finitos en el dominio del tiempo (FVTD por sus siglas en inglés). Este se basa en considerar la forma en ecuaciones de conservación de las ecuaciones de Maxwell y aplicar a su resolución un esquema de Godunov. Se ha probado que es clave para el correcto funcionamiento del código la elección de un limitador de flujo que proteja los extremos de la onda de la disipación típica de los métodos de este tipo. Otro problema clásico a la hora de resolver las ecuaciones de Maxwell es el de tratar con las condiciones de frontera física cuando se simulan dominios no acotados, es decir, dónde las ondas deben salir del sistema sin producir ninguna reflexión. Normalmente la solución es la de disponer una banda absorbente en las fronteras físicas. En AMREM se ha desarrollado un nuevo método basado en los campos característicos que con menor requisito de CPU funcina suficientemente bien incluso en los casos más desfaborables. El código ha sido contrastado con soluciones analíticas de diferentes problemas y también su velocidad ha sido comparada con la de Meep, uno de los programas más conocidos del ámbito. También algunas aplicaciones han sido simuladas con el fin de demostrar el amplio espectro de campos en los que AMREM puede funcionar como una útil herramienta.

Optimized CUDA-Based PDE Solver for Reaction Diffusion Systems on Arbitrary Surfaces

Partial differential equation (PDE) solvers are commonly employed to study and characterize the parameter space for reaction-diffusion (RD) systems while investigating biological pattern formation. Increasingly, biologists wish to perform such studies with arbitrary surfaces representing ‘real’ 3D geometries for better insights. In this paper, we present a highly optimized CUDA-based solver for RD equations on triangulated meshes in 3D. We demonstrate our solver using a chemotactic model that can be used to study snakeskin pigmentation, for example. We employ a finite element based approach to perform explicit Euler time integrations. We compare our approach to a naive GPU implementation and provide an in-depth performance analysis, demonstrating the significant speedup afforded by our optimizations. The optimization strategies that we exploit could be generalized to other mesh based processing applications with PDE simulations.