Väitös: Virtausilmiöiden tietokonesimulaatioita laskentatehojen äärirajoilla

26.08.2010

Keijo Mattilan (Jyväskylän yliopisto) tietotekniikan väitöskirja käsittelee virtausdynamiikan tietokonesimulaatioita Hila-Boltzmann -menetelmällä. Tutkimuksessa on käytetty CSC – Tieteen tietotekniikan keskuksen laskentaresursseja, muun muassa Louhi ja Murska -klustereita.

Mattilan väitöskirja liittyy luonnontieteelliseen tutkimukseen, jossa todellisia virtausilmiöitä pyritään ymmärtämään jäljittelemällä niitä tietokoneen avulla. Mattilan tutkimustuloksia hyödyntäen on Jyväskylän yliopiston ja Åbo Akademin yhteistyönä toteutettu virtausilmiöiden tutkimiseen soveltuva simulaatio-ohjelma, joka omassa lajissaan kamppailee maailman nopeimman tietokoneohjelman tittelistä. Ohjelmaa on käytetty muun muassa Suomen tällä hetkellä tehokkaimman tietokoneen hankintapäätöstä tehtäessä: ohjelman suoritusaika CSC:n Louhi-supertietokoneella oli yksi koneen laskentatehon arviointiperusteista. Simulaatio-ohjelmaa on käytetty myös teollisiin sovelluksiin. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksessa ohjelmalla on simuloitu virtausten etenemistä papereissa, kartongeissa sekä muissa rakenteeltaan monimutkaisissa huokoisissa materiaaleissa. Tällaisella tutkimuksella on käytännön merkitystä esimerkiksi paperinvalmistusteknologiassa.

Tutkimustyö kuuluu niin sanotun suurteholaskennan tutkimusalaan. Vuosikymmenten saatossa tietokoneiden laskentatehot ovat kasvaneet valtavasti. Moniin arkipäiväisiin tehtäviin tietokoneiden teoreettiset huipputehot ovat jo suuresti ylimitoitettuja. Tästä huolimatta uusia entistä tehokkaampia tietokoneita kehitetään yhä edelleen kiivaasti. On siis syytä kysyä, miksi tällaista kehitystyötä jatketaan? Pääselityksiä on kaksi: ensinnäkin arkipäiväisten asioiden hoitamisesta tietokoneella halutaan tehdä sekä käyttäjäystävällisempää että turvallisempaa. Uudet käyttöjärjestelmät ja kattavammat tietoturvaohjelmistot edellyttävät aikaisempaa tehokkaampia tietokoneita. Toiseksi on olemassa erityisaloja, joille eivät riitä mitkään nykyiset tai lähitulevaisuudessa saavutettavat laskentatehot. Viihdeteollisuuden ja teollisen tuotekehittelyn lisäksi tällaista erityisalaa edustaa tieteellinen tutkimus. Tietokoneiden laskentatehojen kasvattamiselle ja paremmalle hyödyntämiselle on näin ollen jatkuva tarve.

Tieteellisessä tutkimuksessa tietokonesimulaatiot perustuvat aina niin sanottuihin laskennallisiin menetelmiin. Mattilan väitöskirjan tutkimuskohteena on Hila-Boltzmann –laskentamenetelmä. Laskentamenetelmä määrää simulaatio-ohjelman ohjelmoimiseen liittyvät pääratkaisut. Yksi suurteholaskennan tutkimusaiheista onkin se, miten jäljelle jäävät ohjelmistotekniset yksityiskohdat ratkaistaan. Näillä yksityiskohtaisilla ratkaisuilla voi olla merkittävä vaikutus simulaatio-ohjelman nopeuteen riippuen suorittavasta tietokonelaitteistosta.

Ohjelmistoteknisiin ratkaisuihin liittyen väitöskirjassa esitellään Hila-Boltzmann –menetelmälle uusi entistä tehokkaampi ohjelmointialgoritmi. Kirjassa esitellään myös niin sanottua välimuistia aikaisempia vaihtoehtoja paremmin hyödyntävä tietorakenne. Suurteholaskennan lisäksi väitöskirjassa käsitellään muita menetelmänkehitykseen liittyviä asioita. Hila-Boltzmann –menetelmälle esitellään esimerkiksi uudentyyppinen reunaehto, jonka tarkoitus on edistää virtausten jäljittelemistä monimutkaisissa rakenteissa.

- Yhtenä mahdollisena sovellusalueena voisi olla virtauksien mukana kulkeutuvien lääkeaineiden eteneminen läpi epämuodostuneen verisuoniston kohti syöpäkasvainta, Mattila kuvailee.

Lisätietoja:

Keijo Mattila, keijo.mattila(at)jyu.fi

CSC

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.