Väitös, tietotekniikka, M.Sc. Johannes Pekkilä

Väitöskirjan nimi: Graphics Processors in High-Performance Computing: Practice and Experience in the Simulation of Astrophysical Magnetohydrodynamics and Turbulence

Väittelijä: Johannes Pekkilä
Vastaväittäjä: professori James McLellan Stone, Institute for Advanced Study, School of Natural Sciences, New York, USA 
Kustos: professori Maarit Korpi-Lagg, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Työssä tutkitaan menetelmiä grafiikkasuorittimien hyödyntämiseen erittäin suuren mittakaavan magnetohydrodynamiikkasimulaatioissa. 

Nykyiset tietokonemallit pystyvät toistamaan tosielämän havaintoja Auringosta vain suurpiirteisesti. Yhden avainsyyn uskotaan olevan se, että suurimmatkaan supertietokoneet eivät ole tarpeeksi tehokkaita riittävän tarkkojen simulaatioiden ajamiseen. Työssä "Grafiikkasuorittimet suurteholaskennassa: Astrofysikaalisten magnetohydrodynamiikka- ja turbulenssisimulaatioiden käytäntö ja havainnot" tehty tutkimus käsittelee kattavasti sitä, kuinka grafiikkasuorittimia voidaan käyttää parantamaan plasmasimulaatioiden tarkkuutta, suorituskykyä, ja energiatehokkuutta. 

Työ keskittyy simulaatioiden laskennallisiin menetelmiin. Työssä esitetään uusia algoritmeja laskennan nopeuttamiseen ja tiedonvälitykseen tuhansien grafiikkasuorittimien välillä. Työssä keskitytään erityisesti tiedonvälityksen pullonkauloihin, mikä on ensisijaisen tärkeää tiedonvälitykseen painottuneiden ohjelmien kannalta, sillä viimeisten vuosikymmenten aikana tietokoneiden laskenta- ja tiedonsiirtokyky on jatkanut eriytymistään. 
Työssä esitellään myös uusi stensiililaskentaan tarkoitettu ohjelmointikieli, mikä mahdollistaa kehitetyiden menetelmien hyödyntämisen myös muissa sovellutuksissa, kuten maanjäristyssimulaatioissa ja konvoluutioneuroverkkoihin perustuvissa tekoälytyökaluissa. 

Sen lisäksi että nämä menetelmät lisätään osaksi avoimen lähdekoodin ohjelmakirjastoa, työssä esitetään uusi grafiikkasuorittimille räätälöity testikenttämenetelmän toteutus. Testeissä saavutetaan 10× nopeutus laskentasolmua kohden edellisiin töihin verrattuna ja saavutetaan LUMI-supertietokonella heikko skaalautuvuus 4096 prosessorille ≥ 90% tehokkuudella. Näiden kontribuutioiden ansiosta työ toimii virstanpylväänä plasmasimulaatioiden suorituskyvylle ja energiatehokkuudelle, ja on askel kohti tarkempia avaruussää- ja aurinkosykliennustuksia, fuusiosimulaatioita, ja muiden ilmiöiden mallinnusta, joissa simuloidaan sähköisesti varautuneita fluideja.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.