En Ph.D. student vid University of Manchester har utvecklat en ny metod och mjukvara för att använda datorspelsteknik för komplexa vetenskapliga och tekniska simuleringar.
Kraftfulla grafikkort, även känd som grafiska bearbetningsenheter (GPU), används vanligtvis för att skapa ultrasnabbt spel och realistiska bilder för spelkonsoler, personliga datorer, och bärbara datorer. Men nyligen, GPU har dykt upp som en teknik för att accelerera vetenskapliga simuleringar, kör vissa applikationer över 100 gånger snabbare än konventionella datorer.
Genom att använda denna teknik, Alex Chow, från skolan för mekanik, Flyg- och anläggningsteknik, skapar nu storskaliga simuleringar av "våldsamma vätskeflöden" inklusive kraftfulla havsvågor som slår mot vindkraftverk till havs för att förutsäga deras potentiella stötkrafter på strukturerna.
Att skapa komplexa och noggranna datorsimuleringar görs vanligtvis på en så kallad 'superdator'. Istället för att vara en individuell maskin, en superdator består faktiskt av hundratals centrala bearbetningsenheter (CPU) anslutna med upp till tusentals datorkärnor. Sådana kraftfulla datorer behövs eftersom dessa stora simuleringar har miljarder beräkningar och miljontals datapunkter.
Den här typen av maskiner, även om extremt kraftfulla är mycket dyra, med även små kluster som sträcker sig från hundratusentals pund till miljontals pund. De använder också stora mängder energi och är endast tillgängliga för ett litet antal forskare och vetenskapsmän.
Fördelen med att använda en grafisk processorenhet (GPU) är att de är mycket billigare och energieffektiva jämfört med vanliga superdatorer som behövs för att göra sådana komplexa simuleringar. Vissa GPU:er är tillräckligt kompakta för att passa i en bärbar dator medan superdatorer kan kräva ett helt rum eller en dedikerad anläggning.
Alex har utvecklat en datorprogramvara från öppen källkod "DualSPHysics" för den vetenskapliga simuleringsmetoden "Incompressible smoothed particle hydrodynamics (ISPH)" för att köras på en GPU för simulering av komplex, våldsamma hydrodynamiska (vatten) flöden. Den nya koden kan beräkna miljontals datapunkter på en enda enhet för riktiga 3D-teknikapplikationer. En viktig utmaning som Alex har behövt övervinna i forskningen är kravet att lösa matematiska system av miljontals samtidiga ekvationer som ständigt förändras under en simulering.
Han säger:"Att använda den här typen av teknik minskar kostnaderna för komplexa vetenskapliga simuleringar från hundratusentals pund till bara ett par tusen. En fördel är att de flesta forskare och små ingenjörsföretag har råd med en relativt kraftfull bärbar dator eller dator med en kvalitets-GPU så den gör den här typen av simulering och forskning ännu mer tillgänglig."
Storbritannien genererar mer el från havsbaserad vindkraft än något annat land i världen med cirka 5 procent av den årliga elenergin som kommer från sektorn. Detta förväntas växa till 10 procent till 2020 och det växer snabbt på global nivå.
På tal om hans projekt, Chow tillade:"Mängden energi som produceras från offshore-miljöer ökar när världen försöker uppfylla världens energimål, men havsmiljön kan vara väldigt våldsam och hård, så att effektivt utforma strukturer för dessa miljöer är en svår uppgift. Att använda fysiska experiment kan vara extremt opraktiskt och inte representativt för problemet. Dessa simuleringar tillåter ingenjörer och forskare att fatta viktiga beslut om utformningen av en struktur utan att behöva investera i platsbesök och kostsamma experiment."
