心脏的机电耦合模型并行有限元的构想-上海超级计算中心.PDFVIP

52 《高性能计算发展与应用》 2012年第一期 总第三十八期 心脏的机电耦合模型：并行有限元的构想  PierreLafortuneRuthArís MarianoVázquezGuillaumeHouzeaux BSC-CNS,巴塞罗那超级计算中心,巴塞罗那,西班牙 mariano.vazquez@bsc.es 摘要： 本文对于心脏的高度并行机电耦合模型进行了介绍和评估。并对平行耦合模型的可扩展性 进行了充分的讨论，证明其可以扩展到上百个核的规模。本文的主要方向集中在力学部分，其 中包括对于本构模型（对预先建立的模型进行一些修改），数值方法和耦合策略等方面的阐述 和讨论。本模型是通过两个实例来进行评估的。首先，是对心脏组织一小部分进行模拟，以对 耦合模型的主要特征进行介绍，并根据实验证据对其参数进行修正。其次，通过在牛津兔心室 模型上使用矫正后的参数来对更实际的问题进行解答。两个实例都表明模型可以在上百个处理 器上高效运行，并对心脏变形的一些基本特性进行再现。 1. 介绍 其中使用到一个可以在上千核上运行的高度并行模 在很多工程领域中，计算力学扮演着极其重要 型。该模型使用了上百万单元的网格，以及数小时 的角色，这在心脏力学方面也毫无例外。如今，一 的运行时间来对现实条件下的心脏进行模拟。 些模型可以对心脏跳动进行真实模拟，并且能够被 计算模型是通过Alya系统来执行的，该系统采用 用于对不同的病理进行研究，或者帮助我们对生理 由巴塞罗那超级计算中心BSC-CNS开发的高性能计 [1，2] 算力学代码。该平台具有较高灵活性，可以通过使用 学机理如何调节心脏收缩有更好的理解 。心脏力 学模拟通常需要面对来自数值算法，编程技术以及 非结构化网格来解决并行耦合问题。基于针对分布式 计算资源方面的挑战。如果我们使用粗糙网格在单 存储设备自动区域分解的有限元空间离散化，以及并 核计算机上对现今的模型进行模拟需要耗费几周时 行化是该策略的主要特征，而自动区域分解是通过开 间，那么使用并行资源对未来模型进行模拟则是未 源软件METIS来进行的。在主从策略的基础上，某一 来所必备的。 个核被用于对网格进行分解，并将每一个子区域网格 过去几十年中发展出的机电有限元模型对于 发送到其他各个核，以方便其运行。METIS通过将子 表现心脏几何构造的精确度以及方法有了快速的提 区域间通讯界面最小化以及负载平衡最大化来对原本 高。但是其中能够在大型超级计算机上运行的模型 的网格进行分割。其中通讯所采用的是信息传递接口 却少之又少，我们所熟知的包括Sainte-Marie等人 （MPI）。并行化的运行则呈现透明化。在代码正确 [4] [5] [6] 的情况下，每一个耦合问题可以保持其可扩展特性： ，Stevens等人 ，Göktepe等人 ，Kerckhoffs等人 [7] [8] [9] 事实上，所有的耦合问题是通过使用相同网格来解决 ，Nobile等人 以及Gurev等人 开发的模型。虽然它 们均被成功地运用到对心脏功能各个方面的研究，