Einleitung
Eine Implementierung von mathematischen Modellen für komplexe dynamische Systeme mit konzentrierten (DSKP) und mit verteilten (DSVP) Parametern auf modernen parallelen Rechnerarchitekturen gehört zu den aktuellen Forschungsproblemen der parallelen Simulationstechnik. Die Entwicklung von parallelen DSKP- und DSVP-Simulatoren für verschiedene Anwendungsfelder stehen im Mittelpunkt einer engen Kooperation zwischen der NTDU und dem HLRS auf dem Gebiet von verteilten parallelen Simulationsumgebungen [1]. In dem Beitrag werden Ansätze für virtuelle parallele DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle und zur Entwicklung von parallelen Simulatoren betrachtet Insbesondere wird Devirtualisierungsvorgang definiert und anhand von Beispielen erläutert.
Virtuelle Simulationsmodelle
Die formale DSKP- und DSVP-Modellierung in verschiedenen Anwendungsfeldern umfasst als wesentlichen Komponenten die Beschreibung der Topologie und des dynamischen Prozessverhaltens mit Hilfe von partiellen und gewöhnlichen differential-algebraischen Gleichungssystemen. Die DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle werden als örtlich diskretisiertes und zur numerischen Lösung geeignet umgewandeltes Gleichungssystem definiert. Infolge der örtlichen Diskretisierung ensteht eine sekundäre Topologie, die in der Modellumwandlung eine wichtige Rolle spielt und im Gleichungsgenerator berücksichtigt wird. Die DSKP- und DSVP-Modellierung ist ein Vorgang, der die Etappen der rechnergestützten Erstellung von Modellen und Simulationsmodellen sowie ihre Implementierung umfasst. Diese Etappen werden für die Topologien von verfahrenstechnischen Fließbildern, automatisierungs-technischen Strukturen und dynamischen Netzobjekten analysiert. Dabei wird vorausgesetzt, dass dem Modellentwickler in dem jeweiligen Anwendungsfeld eine hochentwickelte Benutzeroberfläche (BOF), ein Topologieanalysator sowie ein Gleichungsgeneratoren zur Verfügung stehen.
Virtuelle parallele DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle (VPSM) bilden eine Abstraktion, die aus dem vorverarbeiteten Gleichungssystem und der mit dem Parallelisierungsansatz erstellten Struktur von virtuellen MIMD-Prozessen besteht. Ein virtueller MIMD-Prozess ist ein weitgehend autonomes Programm, das dem Lösungsalgorithmus des Gleichungsteilsysteme entspricht und über eine Schnittstelle mit den benachbarten Prozessen kommuniziert. Die durch einen Kommunikationsgraphen dargestellte logische Verbindungen zwischen den virtuellen MIMD-Prozessen stellen ein virtuelles Verbindungsnetzwerk dar. Die minimale Körnigkeit der virtuellen Prozesse (VP) charakterisiert den Umfang der Prozess-Berechnungsarbeiten und die VP-Menge. Sie ist von der Dekomposition der Topologie und Modellgleichungen sowie der örtlichen DSVP-Approximation abhängig. Bei der Dekomposition und Approximation entstehen Teilsysteme, deren nicht zerlegbare Elementen diskretisiert werden. Deshalb wird vorgeschlagen, die minimale Körnigkeit der virtuellen Prozessen entsprechend der bei der Dekomposition und Diskretisierung hergeleitete Simulationsgleichungen zu definieren.
Die mit der minimalen VP-Körnigkeit verbundenen Ansätze zur DSKP- und DSVP-Parallelisierung führen auf die Parallelitätsebenen der virtuellen parallelen Simulationsmodelle. Nach der Auswahl der numerischen Verfahren werden die den Parallelisierungsansätzen und den Parallelitätsebenen zugeordneten virtuellen Simulationsmodelle und deren Blockdiagramme erstellt.
Devirtualisierung
Die Zielrechnerarchitektur ist die dem Modellentwickler zur Verfügung stehende lose oder/und eng gekoppelte, nach MIMD-Prinzip funktionierte, beschränkte heterogene Menge der installierten vollfunktionellen Prozessoren mit lokalem oder/und gemeinsamem Speicher und verfügbarem vordefiniertem programmgesteuertem Verbindungsnetzwerk. Als paralleler Simulator für das betrachtete komplexe dynamische System wird eine Hardware/Software-Systemorganisation definiert, die den Modellierungsvorgang und paralleles virtuelles Simulationsmodell auf Zielrechnerarchitektur sofwaretechnisch effizient realisiert und den Modellentwicklern sowie den Modellbenutzern eine benutzerfreundliche Kommunikation mit den Modellierungs- und Simulationsressourcen erlaubt. Die benötigte Devirtualisierung von virtuellen parallelen Simulationsmodellen betrifft deren Umwandlung im Hinblick auf die Simulatorrealisierung mit Hilfe der vorgegebenen Zielrechnerarchitektur.
Hierzu werden die einzelnen Entwicklungsetappen des Devirtualisierungsvorgang auf parallelen DSKP- und DSVP-Simulatoren vorgeschlagen. Ausgangspunkt der Entwicklung ist eine detaillierte Darstellung der parallelen virtuellen Simulationsmodelle und Parallelitätsebenen. Die weitere Schritte sind die Apriori-Analyse und eine Optimierung der Lastverteilung zwischen den virtuellen Prozessen unter Berücksichtigung der Datenaustauschoperationen im Vergleich zu dem Umfang der Rechenoperationen.
Dabei werden die zur Implementierung geeigneten optimierten virtuellen Simulationsmodelle ausgewählt und deren Kommunikationsgraphen definiert. Außerdem werden die Struktur und das Blockdiagramm der devirtualisierten parallelen Simulationsmodelle mit den Parametern die Simulation der jeweiligen DSKP- und DSVP-Systeme befüllt. Schließlich werden die Implementierung und das Debugging des parallelen DSKP- und DSVP-Simulators untersucht.
Die betrachteten virtuelle Simulationsmodelle und deren Devirtualisierung werden auf das Beispiel eines Grubenbewetterungssystem angewendet.
Zusammenfassung
Die vorgestellten Untersuchungen liefern einen Beitrag für die rechnergestützte Erstellung von Modellen, Simulationsmodellen und Simulatoren von komplexen dynamischen Systeme mit konzentrierten und mit verteilten Parametern. Dabei stehen die simulationstechnisch effiziente Nutzung der parallelen Rechnerressourcen sowie die Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit von parallelen Simulationsumgebungen im Mittelpunkt. Die vorgeschlagenen virtuellen parallele Simulationsmodelle und Devirtualisierungsvorgänge werden an der Fakultät für Rechentechnik und Informatik der NTUD in Zusammenarbeit mit dem HLRS untersucht und implementiert.
Literatur
Svjatnyj, V.A., Moldovanova, O.V., Feldmann, L.P.: Parallele Simulationsumgebung für dynamische Netzobjekte mit verteilten Parametern. In: F.Hülsemann u.a. (Hrsg.), Tagungsband 18. ASIM-Symposium Simulationstechnik, Erlangen 2005, SCS 2005, 416-421.