Modeling astrophysical disk at exascale era.
Modélisation des disques astrophysiques à l'ère de l'exascale.
Résumé
The fragmentation of self-gravitating disks is a central topic in astrophysics. Gas disks can fragment into a hierarchy of nested structures spanning over a wide range of scales, with five or more orders of magnitude. Numerical simulations are needed to study those nested processes, and identify the properties of the processes as a function of the physical conditions of these disks: depending on the initial temperature of a disk and its turbulent state, a hierarchy of collapsing structures can form starting from the largest scales ("top-down" scenario) or from the smallest scales ("bottom-up" scenario). Adaptive mesh refinement (AMR) codes, such as RAMSES, are a powerful tool for studying these multi-scale processes. The imminent arrival of exascale-class supercomputers opens up to a new generation of numerical simulations resolving a wide range of scales with unrivalled precision. One of the technical challenge in carrying out such simulations remains the gigantic volume of data need to be handled representing tens of terabytes to be analyzed. With the aim of making such simulations possible without prohibitive overheads linked to data volume, we will first present the optimizations carried out on RAMSES's I/O by finalizing its coupling to the HERCULE parallel I/O library and integrating a finalized version of this coupling into the RAMSES code open-source distribution. Secondly, a new specific data model dedicated to data processing, designed for tree-based AMR mesh codes, was developed and tested on data sets from various astrophysical simulations. This new extremely compac data model makes it possible to drastically reduce data volume, by up to a factor of 40x depending on the simulations, thanks to its compact mesh description, but also to redundancy reduction and data compression algorithms. The data compression method used, detailed in the manuscript, outperforms state-of-the-art scientific data compression libraries such as: ZFP, FPZIP, SZ. In addition, a new C++ analysis tool, with hybrid parallelism (MPI,OpenMP), dedicated to this new data format, has been developed, as well as several analysis methods such as, but not limited to: region of interest (ROI) selection using minimal cubic paving, image production using Gaussian blurring or raytracing. All these developments have enabled us to overcome the technological bottlenecks, regarding I/O and data analysis, in order to perform a large-scale numerical simulation of an isolated self-gravitating galactic disk, with the RAMSES code, resolving 90% of the mass of the gas disk at a resolution of 3.4 pc with more than. 50% at 1 pc, thus also resolving the low density regions of the interstellar medium. The results of this simulation, aimed at identifying observable signatures of the thermal and turbulent state of the disk, as well as the effects on subsequent evolution and star formation, are presented in this manuscript. Finally, the new data format, HERCULE library and the new data analysis tool will be interfaced with the ecosystem of the astrophysical numerical simulation database: GALACTICA (http://www.galactica-simulations.eu/db/), enabling the scientific community to benefit from the new tools.
La fragmentation des disques autogravitants est un sujet d'étude central de l'astrophysique actuelle. Les disques de gaz peuvent se fragmenter en une hiérarchie de structures imbriquées les unes dans les autres, couvrant de très grands facteurs d' échelles sur cinq ordres de grandeur ou plus. Les simulations numériques sont nécessaires pour étudier les processus imbriquées, et identifier les propriétés des processus en fonction des conditions physiques de ces disques : selon la température initiale d'un disque et son état turbulent, une hiérarchie de structures l'effondrement peut se former en partant d'abord des plus grandes échelles (scénario "top-down") ou des plus petites échelles (scénario "bottom-up"). Les codes à raffinement adaptatif de maillage (AMR - adaptive mesh refinement), dont le code RAMSES, sont un outil puissant pour l' étude de ces processus multi-échelles. L'arrivée prochaine de supercalculateur de classe exascale permet d'envisager la réalisation d'une nouvelle génération de simulations numériques résolvant une grande gamme d' échelles avec une précision inégalée. Un des enjeux techniques à la réalisation de telles simulations reste le volume de données gigantesque qui sera alors mis enjeu, représentant des dizaines de téraoctets à analyser. Dans le but de rendre de telles simulations possibles sans surcoût prohibitif lié au volume de données, on présentera dans un premier temps, les optimisations effectuées concernant les écritures sur disques du code RAMSES en finalisant son couplage à la librairie d'entrées-sorties HERCULE et en intégrant une version finalisée de ce couplage à la distribution open-source du code RAMSES. Ensuite, un nouveau modèle de données spécifique pour le traitement de données, destinés aux codes à maillage AMR avec une structure en arbre, a été développé et test 'e sur des jeux données issus de différentes simulations astrophysiques. Ce nouveau modèle, ultra-compact et auto-portant, permet de réduire drastiquement le volume de données, jusqu'`a un facteur 40x en fonction des simulations, grâce à sa description compacte du maillage mais également à des algorithmes de réduction de redondance et de compression de données avec et sans perte d'information. Le méthode de compression de données utilisée, détaillée dans le manuscrit, surpasse en vitesse et/ou en ratio de compression les bibliothèques à l'état de l'art en compression de données scientifiques tels que: ZFP, FPZIP, SZ. De plus, un nouvel outil d'analyse C++, au parallélisme hybride (MPI,OpenMP), dédiés à ce nouveau format données, a été développé ainsi que plusieurs méthodes d'analyses tels que: la sélection de région d'intérêt (ROI - Region Of Interest) grâce au pavage cubique minimal, la production d'image par floutage gaussien ou par lancer de rayon. Tous ces développements, effectués en amont, ont permis de lever les verrous technologiques pour lancer une simulation numérique d'envergure d'un disque galactique isolé auto-gravitant, avec le code RAMSES, permettant de résoudre 90% de la masse du disque de gaz à une résolution de 3.4 pc, donc 50% à 1 pc, résolvant ainsi également les régions peu denses du milieu interstellaire. Les résultats de cette simulation, à la résolution spatiale jusque là inégalée, visant à identifier les signatures observables de l' état thermique et turbulent du disque, ainsi que les effets sur l' évolution ultérieure et la formation stellaire, sont présentés dans ce manuscrit. Enfin, le nouveau format de données, la bibliothèque HERCULE et l'outil d'analyses seront interfacés avec l' écosystème de la base de données des simulations numériques astrophysiques, GALACTICA (http://www.galactica-simulations.eu/db/), permettant ainsi à la communauté scientifique de bénéficier des nouveaux outils.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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