10.14489/vkit.2018.06.pp.046-056

DOI: 10.14489/vkit.2018.06.pp.046-056

Жмайлов Б. Б., Корчагин В. И., Дибиров Р. Р., Басенко Д. В., Салий Д. А.
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КЛАСТЕРА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ГРАВИТИРУЮЩИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ JCUDA-ТЕХНОЛОГИЙ
(с. 46-56)

Аннотация. Появление новых вычислительных технологий на основе подхода GPGPU (General-Purpose computing for Graphics Processing Units) позволяет моделировать динамическое взаимодействие большого числа гравитирующих частиц в задачах астрофизики. Для их решения рассмотрены вопросы проектирования и разработки инструментальных средств в целях реализации параллельных вычислений с использованием библиотек JCUDA (Java bindings for the Compute Unified Device Architecture). Выполнен сравнительный анализ производительности алгоритмов, реализующих различные модели программирования.

Ключевые слова: астрофизика; галактика; GPGPU; JCUDA; Java; параллельные вычисления.

Zhmailov B. B., Korchagin V. I., Dibirov R. R., Basenko D. V., Salii D. A.
SOFTWARE PACKAGE FOR MODELING THE DYNAMICS OF GRAVITATING SYSTEMS BASED ON JCUDA-TECHNOLOGIES
(pp. 46-56)

Abstract. Appearance of new computational technologies based on GPGPU (General-Purpose computing for Graphics Processing Units) approach allows to model the dynamical interaction of large number of particles in physical and astrophysical problems. To solve this problem, we discuss the questions of the design and development of the computational tools that realize the parallel simulations with the usage of JCUDA (Java bindings for the Compute Unified Device Architecture). We analyzed the existing computational solutions and formulated the criteria to the functionality of the developing system and designed the model of the system by canonical UML (Unified Modeling Language) diagrams. Software allows to support the two types of user interfaces: GUI (Graphic User Interface) and CLI (Command Line Interface). The simulation problem can be divided into two parts. The first part of the problem can be reduced to the creating the initial coordinates and the velocities of interacting particles based on the distribution function of the particles in each object. The second part deals with the realization of the numerical algorithms which model the dynamics of interacting particles using CUDA architecture. We present the comparison of the computational performance of algorithms based on the traditional step-by-step approach and the parallel simulations based on CUDA architecture.

Keywords: Astrophysics; Galaxy; GPGPU; JCUDA; Java; Parallel simulations.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

Б. Б. Жмайлов, В. И. Корчагин, Р. Р. Дибиров, Д. В. Басенко, Д. А. Салий (Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Eng

B. B. Zhmailov, V. I. Korchagin, R. R. Dibirov, D. V. Basenko, D. A. Salii (Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Barnes J., Hut P. A Hierarchical O(NlogN) Force-Calculation Algorithm // Nature. 1986. V. 04, No. 324. P. 446 – 449.
2. Cooley J. W., Tukey J. W. An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series // Math. Comput. 1965. V. 19. P. 297 – 301.
3. Astrophysics Source Code Library [Электронный ресурс]. URL: http://ascl.net (дата обращения: 06.03.2018).
4. Fosite-2D Hydrodynamical Simulation Program [Электронный ресурс]. URL: http://www.astrophysik. unikiel.de/fosite/ (дата обращения: 06.03.2018).
5. Fisher Matrix Preloaded – Fisher4Cast / B. Bassett et al. 2012, Submitted to the ArXiv. Also Bundled with Fisher4Cast.
6. Nguyen H. Gpu Gems 3 (First ed.). Addison-Wesley Professional, 2007. 1008 р.
7. Young P. The Leapfrog Method and other “Symplectic” Algorithms for Integrating Newton’s Laws of Motion [Электронный ресурс]. 2014. 16 р. http:// young.physics.ucsc.edu/115/leapfrog.pdf (дата обращения: 06.03.2018).
8. Burtscher M., Pingali K. An Efficient CUDA Implementatioon of the Tree Based Barnes Hut n-Body Algorithm // GPU Computing Gems Emerald Edition. Elsevier Inc., 2011. P. 75 – 92. doi.org/ 10.1016/B978-0-12-384988-5.00006-1
9. Lukat G., Banerjee R. A GPU Accelerated Barnes-Hut Tree Code for FLASH4 // Instrumentation and Methods for Astrophysics. Elsevier Inc., 2015. doi: 10.1016/j.newast.2015.10.007
10. Свидетельство № 2017611550 о гос. регистрации программы для ЭВМ. JGalactics Modeler 1.0 / Корчагин В. И., Гравнек В. В., Жмайлов Б. Б., Колес¬ник Р. В. № 2016663787; заявл. 15.12.2016; опубл. 06.02.2017.
11. Жмайлов Б. Б., Колесник Р. В. 3D-моделирование галактических объектов // Виртуальная и дополненная реальность-2016: состояние и перспективы: материалы Всерос. научн.-метод. конф., Москва 28–29 апреля 2016 г. М., 2016. С. 147 – 152.
12. Свидетельство № 2015619921 о гос. регистрации программы для ЭВМ. JGalactics Graph Builder 1.0 / Корчагин В. И., Гравнек В. В., Жмайлов Б. Б., Колес¬ник Р. В. № 2015616769; заявл. 23.07.2015; опубл. 20.10.2015.
13. Басенко Д. В., Салий Д. А., Жмайлов Б. Б. Алгоритмы разброса скоростей при моделировании звездных систем // Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы XXIV науч. конф. ЮФУ. Ростов-н/Д; Таганрог, 2017. С. 35 – 38.
14. Басенко Д. В., Салий Д. А., Жмайлов Б. Б. Способы физического хранения астрономических данных // Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы XXIV науч. конф. ЮФУ. Ростов-н/Д; Таганрог, 2017. С. 38 – 40.
15. Java Bindings for CUDA [Электронный ресурс]. URL: http://jcuda.org (дата обращения: 06.03.2018).

Eng

1. Barnes J., Hut P. (1986). A hierarchical O(NlogN) force-calculation algorithm. Nature, 324(04), pp. 446 – 449.
2. Cooley J. W., Tukey J. W. (1965). An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series. Math. Comput., 19, pp. 297 – 301.
3. Astrophysics source code library. Available at: http://ascl.net (Accessed: 06.03.2018).
4. Fosite-2D hydrodynamical simulation program. Available at: http://www.astrophysik. unikiel.de/fosite/ (Accessed: 06.03.2018).
5. Bassett B. et al. (2012). Fisher Matrix Preloaded – Fisher4Cast, Submitted to the ArXiv. Also Bundled with Fisher4Cast.
6. Nguyen H. (2007). Gpu Gems 3 (First ed.). Addison-Wesley Professional.
7. Young P. (2014). The Leapfrog method and other “Symplectic” algorithms for integrating Newton’s laws of motion. Available at: http:// young.physics.ucsc.edu/115/leapfrog.pdf (Accessed: 06.03.2018).
8. Burtscher M., Pingali K. (2011). An efficient CUDA implementatioon of the tree based Barnes Hut n-Body algorithm. GPU Computing Gems Emerald Edition. Elsevier Inc., pp. 75 – 92. doi: 10.1016/B978-0-12-384988-5.00006-1
9. Lukat G., Banerjee R. (2015). A gpu accelerated Barnes-Hut tree code for FLASH4. Instrumentation and Methods for Astrophysics. Elsevier Inc., 2015. doi: 10.1016/j.newast.2015.10.007
10. Korchagin V. I., Gravnek V. V., Zhmaylov B. B., Kolesnik R. V. (2017). JGalactics Modeler 1.0. Certificate on registration of PC program No. 2016663787. Russian Federation. [in Russian language]
11. Zhmaylov B. B., Kolesnik R. V. (2016). 3D-modeling of galactic objects. Virtual and Augmented Reality-2016: Status and Prospects: proceedings of the All-Russian scientific and practical conference. 28-29 April 2016. (pp. 147-152). Moscow. [in Russian language]
12. Korchagin V. I., Gravnek V. V., Zhmaylov B. B., Kolesnik R. V. (2015). JGalactics Graph Builder 1.0. Certificate on registration of PC program No. 2015619921. Russian Federation. [in Russian language]
13. Basenko D. V., Saliy D. A., Zhmaylov B. B. (2017). Algorithms of speed dispersion in modeling of stellar systems. Modern information technologies: trends and development prospects: proceedings of the XXIV scientific conference of YuFU. (pp. 35-38). Rostov-on-Don; Taganrog. [in Russian language]
14. Basenko D. V., Saliy D. A., Zhmaylov B. B. (2017). Methods of physical storage of astronomical data. Modern information technologies: trends and development prospects: proceedings of the XXIV scientific conference of YuFU. (pp. 38-40). Rostov-on-Don; Taganrog. [in Russian language]
15. Java bindings for CUDA. Available at: http://jcuda.org (Accessed: 06.03.2018).

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 350 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/vkit.2018.06.pp.046-056

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 350 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/vkit.2018.06.pp.046-056

and fill out the form