유한요소 비압축성 유동장 해석을 위한 이중공액구배법의 GPU 기반 연산에 대한 연구
A Study on GPU Computing of Bi-conjugate Gradient Method for Finite Element Analysis of the Incompressible Navier-Stokes Equations
윤종선(서울과학기술대학교); 전병진(연세대학교); 정혜동(전자부품연구원); 최형권(서울과학기술대학교)
40권 9호, 597~604쪽
초록
본 연구에서는 GPU를 이용한 비압축성 유동장의 병렬연산을 위하여, P2P1 유한요소를 이용한 분리 알고리즘 내의 행렬 해법인 이중공액구배법(Bi-Conjugate Gradient)의 CUDA 기반 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘을 이용해 비대칭 협착관 유동을 해석하고, 단일 CPU와의 계산시간을 비교하여 GPU 병렬 연산의 성능 향상을 측정하였다. 또한, 비대칭 협착관 유동 문제와 다른 행렬 패턴을 가지는 유체구조 상호작용 문제에 대하여 이중공액구배법 내의 희소 행렬과 벡터의 곱에 대한 GPU의 병렬성능을 확인하였다. 개발된 코드는 희소 행렬의 1개의 행과 벡터의 내적을 병렬 연산하는 커널(Kernel)로 구성되며, 최적화는 병렬 감소 연산(Parallel Reduction), 메모리 코얼레싱(Coalescing) 효과를 이용하여 구현하였다. 또한, 커널 생성 시 워프(Warp)의 크기에 따른 성능 차이를 확인하였다. 표준예제들에 대한 GPU 병렬연산 속도는 CPU 대비 약 7배 이상 향상됨을 확인하였다.
Abstract
A parallel algorithm of bi-conjugate gradient method was developed based on CUDA for parallel computation of the incompressible Navier-Stokes equations. The governing equations were discretized using splitting P2P1 finite element method. Asymmetric stenotic flow problem was solved to validate the proposed algorithm, and then the parallel performance of the GPU was examined by measuring the elapsed times. Further, the GPU performance for sparse matrix-vector multiplication was also investigated with a matrix of fluid-structure interaction problem. A kernel was generated to simultaneously compute the inner product of each row of sparse matrix and a vector. In addition, the kernel was optimized to improve the performance by using both parallel reduction and memory coalescing. In the kernel construction, the effect of warp on the parallel performance of the present CUDA was also examined. The present GPU computation was more than 7 times faster than the single CPU by double precision.
- 발행기관:
- 대한기계학회
- 분류:
- 기계공학