Równolegle w metodzie elementów skończonych (MES) odnosi się do procesu dzielenia i przydzielania zadań obliczeniowych między wiele procesorów lub rdzeni w celu przyspieszenia analizy i symulacji złożonych problemów inżynierskich. Obliczenia równoległe umożliwiają oprogramowaniu radzenie sobie z większymi i bardziej złożonymi symulacjami poprzez wykorzystanie mocy nowoczesnych wielordzeniowych procesorów, a nawet rozproszonych klastrów obliczeniowych.
Oto kilka kluczowych aspektów zrównoleglania w oprogramowaniu MES:
Dekompozycja domeny : Powszechne podejście do zrównoleglania polega na podzieleniu domeny symulacji na mniejsze poddziedziny. Każda subdomena jest następnie przypisana do innego procesora lub rdzenia, a obliczenia są przeprowadzane jednocześnie na tych oddzielnych częściach. Po zakończeniu lokalnych obliczeń wyniki są łączone w celu uzyskania rozwiązania ogólnego.
Pamięć współdzielona a pamięć rozproszona : Równoległość można osiągnąć na dwa główne sposoby - zrównoleglenie pamięci dzielonej i zrównoleglenie pamięci rozproszonej. W przypadku równoległej pamięci dzielonej, wiele procesorów lub rdzeni uzyskuje dostęp do tej samej pamięci, podczas gdy w przypadku równoległej pamięci rozproszonej każdy procesor ma własną pamięć, a komunikacja między procesorami jest konieczna do wymiany informacji.
Wielowątkowość i wieloprzetwarzanie : Oprogramowanie wykorzystujące MES może wykorzystywać techniki wielowątkowości i przetwarzania wieloprocesowego do równoległego wykonywania obliczeń. Wielowątkowość polega na podzieleniu pojedynczego programu na mniejsze wątki, które mogą być wykonywane jednocześnie. Wieloprzetwarzanie oznacza uruchamianie wielu niezależnych procesów lub zadań jednocześnie.
Skalowalność : Skalowalność odnosi się do tego, jak dobrze oprogramowanie MES może obsłużyć rosnącą liczbę procesorów lub rdzeni. Dobrze zaprojektowane oprogramowanie wykorzystujące MES do pracy równoległej powinno charakteryzować się dobrą skalowalnością, co oznacza, że wraz z dodawaniem kolejnych procesorów zwiększa się wydajność, a czas symulacji ulega skróceniu.
Równoważenie obciążenia : Równoważenie obciążenia jest niezbędne do zapewnienia równomiernego rozłożenia obciążenia obliczeniowego między wszystkie procesory. Brak równowagi w obciążeniu może prowadzić do tego, że niektóre procesory będą pracować na biegu jałowym, podczas gdy inne będą przeciążone, co skutkuje nieefektywną pracą zrównoległą.
Biblioteki równoległe i interfejsy API : Wiele pakietów oprogramowania wykorzystujących MES wykorzystuje biblioteki programowania równoległego i interfejsy API (interfejsy programowania aplikacji ) do efektywnej implementacji zrównoleglania. Przykłady obejmują OpenMP, MPI ( interfejs przekazywania wiadomości ), CUDA (do zrównoleglania GPU) i inne.
Równoległość solwera : W symulacjach MES rozwiązywanie liniowych układów równań jest powszechnym wąskim gardłem. Zaawansowane solwery można łączyć równolegle, aby przyspieszyć rozwiązywanie problemów. Solwery iteracyjne, takie jak metoda gradientów sprzężonych, mogą skorzystać z obliczeń równoległych.
Wstępne i końcowe przetwarzanie : Chociaż duży nacisk kładziony jest na zrównoleglenie fazy solwera, równoległość może być również zastosowana do innych aspektów analizy MES, w tym zadań przetwarzania wstępnego (generowanie siatki, konfiguracja modelu) i przetwarzania końcowego (wizualizacja, analiza danych).
Efektywne zrównoleglenie w oprogramowaniu MES może znacznie skrócić czas symulacji, umożliwiając inżynierom i naukowcom efektywną analizę większych i bardziej złożonych problemów.