Jyväskylä mukana maailmanennätyksessä: tämä on 4398 miljardin vokselin kuva

Simulaatio nesteen virtauksesta kalkkikivikuutiossa

Kuvassa on tietokonemallinnus virtauskentistä pienessä näytepalasessa suomalaisvetoisen tutkijaryhmän työn tuloksena.

Siinä suuntavektoreiden punainen väri edustaa nopeaa ja sininen hidasta virtausta, kun taas keltainen sekä vihreä väri edustavat nopeuksia ääripäiden välistä.

Mutta mistä siinä on kyse?

Kuvan palanen on olevinaan hiekkakiveä, mutta supertietokoneen simuloimana. Huokoisen kivenpalasen fysikaaliset ominaisuudet ja rakenne on laitettu simulaatioon, ja sitten tietokone laskee miten neste – tässä tapauksessa vesi – kulkee sen läpi.

Hiekkakiven ja muiden huokoisten materiaalien tutkimus on kiinnostavaa paitsi perustutkimuksen vuoksi, niin myös siksi, että esimerkiksi öljyteollisuus on hyvin kiinnostunut siitä, miten nesteet virtaavat huokoisessa kivessä. Tiedolla on myös käyttöä eroosion ennustamisessa, yhteiskuntainfrastruktuurin suunnittelussa, saasteiden vaikutusten tutkimisessa ja monessa muussa yllättävässäkin asiassa: myös osteoporoosin haurastama luu on huokoista kalkkipitoista ainetta, ja sen ominaisuuksien simulointi on tärkeää.

Näiden materiaalien tutkimus laboratoriossa on hankalaa, koska niiden rakenteen sekä nesteenläpäisy- ja johtamisominaisuuksien tutkiminen samanaikaisesti laajassa mittakaavassa ja yksityiskohtaisesti on lähes mahdotonta. 

Siksi näytteiden käyttäytymisen mahdollisimman luonnollinen jäljittely tietokoneella on hyvin hyödyllistä. Mitä suurempi 'näyte' voidaan simuloida ja mitä tarkemmin siinä onnistutaan, sitä parempi. 

Ja koska suomalaisjohtoinen tutkimusryhmä onnistui tekemään tämän suuremmalla näytteellä noin tuhat kertaa tarkemmin kuin aikaisemmin, on syytä olla tyytyväinen.

Tutkimus julkaistiin Journal of Computational Science -lehden tuoreessa numerossa.

"Mittasuhteiden hahmottamiseksi kuvittele tavallinen noppa, joka ensin viipaloidaan yli 16 000 poikkileikkeeseen, ja sitten kukin leike kuvataan tarkkuudella, jonka esittämiseen edes nykyaikaisimmat elokuvateatterit eivät vielä kykene", tutkijatohtori Keijo Mattila Jyväskylän yliopistosta kertoo.

Nykyaikaisimmat teatterit näyttävät elokuvia 4K-kuvana, eli 4096 × 2160 pikselin tarkkuudella.

Kooltaan 1,5 cm3 olevan kivinäytteen rakenne koostuu noin miljoonasta mikroskooppisen pienestä, osittain toisiinsa kytkeytyneestä hiekanjyväsestä. Näiden jyvästen väliin jäävä tila muodostaa huokosverkoston, jota pitkin vesi ja muut virtaavat ainekset pääsevät kulkeutumaan. Tutkijaryhmän toteuttama tietokonesimulaatio mallintaa virtausta tällaisessa huokosverkostossa, ja siten virtausta kokonaisen kivinäytteen läpi.

Temppu on kiinnostava myös simulaatioteknisesti: tässä käytettiin kolmiulotteista kuvaa, joka koostuu 163843 vokselista (joka on pikselin kolmiulotteinen vastine). Tämä tarkoittaa hieman alle mikrometrin resoluutiota, johon ei aiemmin ole kyetty samankokoisilla materiaalinäytteillä.

Simuloitu kappale ilman virtauksia

Vaativa laskutoimitus suoritettiin Iso-Britanniassa, Edinburghissa olevalla Archer-supertietokoneella, jonka koko kapasiteetista simulaatiota varten varattiin 96 % yhtäjaksoisesti 10 tunnin ajan.

Simulaatio edellytti 137 teratavua tietokoneen keskusmuistia, joka vastaa noin 17 000 tavallisen kannettavan tietokoneen yhteenlaskettua muistia. Tehtävän suorittamisen sähkönkulutus oli kokonaisuudessaan noin 7500 kWh.

Lisäksi tutkijaryhmä teki suorituskykymittauksia maailman toiseksi tehokkaimmalla supertietokoneella, Yhdysvalloissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa olevalla Titan-supertietokoneella. Kun sen laskentayksiköistä oli käytössä 88 %, eli 16384 laskentaan soveltuvaa grafiikkaprosessoria, mitattiin ryhmän kehittämälle simulaatio-ohjelmistolle laskentatehokkuudeksi 1,77 petaflopsia.

Tämä tarkoittaa 1 770 000 miljoonaa miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Simulaatioennätys on kiinnostava läpimurto paitsi huokoisten materiaalien tutkimuksessa, niin myös simulaatio tekniikassa. Se myös osoittaa konkreettisesti kuinka tietokonesimulointi voi olla tulevaisuudessa yhä enemmän avuksi laajemmin materiaalitutkimuksessa.

Ja myös käytännön ongelmissa, mistä osoituksena on se, että Mattilan koordinoimaan tutkijaryhmään kuuluu jäseniä myös Brasilian kansallisen öljy-yhtiön Petrobrasin tutkimuskeskuksesta. Muut jäsenet ovat Tampereen teknillisestä yliopistosta, Luonnonvarakeskuksesta ja Åbo Akademista. Simulaatio-ohjelmiston kehittämisessä hyödynnettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n tarjoamia laskentapalveluita.

Artikkeli perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Huom:
Jutun otsikkoa on muutettu 22.12. aamulla: numero 163843 on muutettu 4398 miljardiksi. Julkaisujärjestelmä ei suostu näyttämään otsikossa potenssimerkkiä, joten 163843 oli muuttunut muotoon 163843. Tarkalleen 163843 on 4398046511104.