Paralelizace ve softwaru metody konečných prvků (FEM) se týká procesu rozdělování a distribuce výpočetních úloh mezi více procesory nebo jádra, aby se urychlila analýza a simulace složitých inženýrských problémů. Paralelní výpočty umožňují softwaru zpracovávat větší a složitější simulace využitím síly moderních vícejádrových CPU a dokonce i distribuovaných výpočetních klastrů.
Zde jsou některé klíčové aspekty paralelizace v softwaru FEM:
Rozdělení domény: Jeden běžný přístup k paralelizaci zahrnuje rozdělení simulační domény na menší subdomény. Každá subdoména je pak přiřazena k jinému procesoru nebo jádru a výpočty jsou prováděny současně na těchto oddělených částech. Jakmile jsou místní výpočty dokončeny, výsledky jsou kombinovány pro získání celkového řešení.
Tato technologie je použita v RFEM 6 a RSTAB 9 pro paralelní výpočet zatěžovacích stavů a kombinací zatížení. Pro každé jádro je spuštěna instance řešiče, která pak postupně počítá zatěžovací stavy nebo kombinace zatížení.
Vláknění a víceprocesování: Software FEM může využívat techniky vlákění a víceprocesování k paralelizaci výpočtů. Vláknění zahrnuje rozdělení jediného programu na menší vlákna, která mohou být prováděna současně. Víceprocesování zahrnuje současné spuštění více nezávislých procesů nebo úloh.
Obě techniky jsou použity v RFEM 6.
Pro paralelní výpočet zatěžovacích stavů a kombinací zatížení je spuštěno několik nezávislých procesů řešiče. To je technika víceprocesování.
Pokud je pro individuální výpočet zatěžovacího stavu nebo kombinace zatížení použit přímý řešič, je zátěž rozdělena do několika vláken pro vyřešení systému rovnic.
Škálovatelnost: Škálovatelnost se týká toho, jak dobře software FEM dokáže zpracovávat rostoucí počet procesorů nebo jader. Dobře navržený paralelní software FEM by měl vykazovat dobrou škálovatelnost, což znamená, že přidáním více procesorů je zlepšení výkonu značné a doba simulace se zkracuje.
Paralelní knihovny a API: Mnoho balíčků softwaru FEM využívá paralelní programovací knihovny a API (Application Programming Interfaces) k efektivní implementaci paralelizace. Příklady zahrnují OpenMP, CUDA (pro paralelizaci na GPU) a další.
OpenMP je použito v RFEM 6 pro implementaci vláknění.
CUDA není použita v RFEM 6. Výpočet proto nelze provádět na grafických kartách nebo podobných akcelerátorech výpočtů.
Paralelizace řešiče: V simulacích FEM je řešení lineárních systémů rovnic běžným úzkým hrdlem. Pokročilé řešiče mohou být paralelizovány ke zlepšení rychlosti řešení.
Předzpracování a povýpočtová úprava: Zatímco většina pozornosti je věnována paralelizaci fáze řešení, paralelizace může být aplikována také na další aspekty analýzy FEM, včetně úloh předzpracování (generování sítě, nastavení modelu) a povýpočtové úpravy (vizualizace, analýza dat).
V obou případech, předzpracování a povýpočtové úpravy, je v RFEM 6 a RSTAB 9 použita paralelizace prostřednictvím vlákění.
Efektivní paralelizace v softwaru FEM může významně snížit doby simulací, což umožňuje inženýrům a vědcům efektivně analyzovat větší a složitější problémy.