CSC:n uusi supertietokone LUMI on käyttöönottohetkellään yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista. Se tehostaa myös rakennusalalla esimerkiksi tuulen, veden, lämmön ja monien muiden virtausilmiöiden ja prosessien simulointia – ja täysin uusiutuvan energian voimin.
Yhteiseurooppalainen supertietokonehanke LUMI on pilotointivaiheessa. CSC:n omistaman datakeskuksen toiminta käynnistyi Kajaanissa viime vuoden lopulla, ja täydessä kokoonpanossa LUMI on vuoden 2022 aikana. Silloin se on yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista. LUMI vaatii paljon energiaa, mutta se tuotetaan 100-prosenttisesti hiilineutraalisti. Lisäksi LUMIn hukkalämmöillä katetaan 20 prosenttia Kajaanin alueen vuotuisesta kaukolämmön tarpeesta.
Virtauslaskennalla luodaan ilmiöstä virtuaalinen kuvaus
LUMI nostaa Suomen yhdeksi maailman suurimmista suurteholaskennan toimijoista. Viidennes LUMIn resursseista on varattu yritysten käyttöön, joten se parantaa myös Swecon kilpailukykyä. Swecon suurin supertietokonekapasiteetin käyttökohde on virtauslaskenta eli CFD (computational fluid dynamics).
Virtauslaskennalla voidaan simuloida – eli virtuaalisesti toistaa – minkä tahansa kaasun tai nesteen virtausilmiöitä. Virtauslaskenta on siis eräänlaista virtuaalista prototypointia, ennen kuin jotakin rakennetaan tai valmistetaan fyysisessä todellisuudessa. Virtauslaskennalla luodaan 3D-kuvaus esimerkiksi tuulen vaikutuksista rakennettuun ympäristöön, sisäilman lämpöolosuhteista, vedenpuhdistamon prosesseista tai vaikkapa datakeskuksen viilennyksestä.
Virtaus on useimmiten turbulentti, kaoottinen ja siksi hyvin monimutkainen ilmiö – myös matemaattisesti. Siksi ilman tietokoneilla toteutettua suurteholaskentaa virtauksia olisi hyvin usein mahdoton laskea luotettavasti ja riittävällä tarkkuudella. Lisäksi suurteholaskennalla nähdään jo suunnittelupöydällä, miten sovellus toimii tai ei toimi sekä miten sitä voidaan parantaa.
Onko supertietokoneen käyttö kustannustehokasta?
Supertietokoneet ovat mullistaneet virtauslaskennan tehokkuuden ja tulosten hyödynnettävyyden vuosikymmeniä sitten, ja kehitys jatkuu edelleen. Nyrkkisääntö on, että mitä laajemmin supertietokoneita käytetään, sitä paremmalla tarkkuudella, luotettavuudella ja vasteajalla projekti saadaan vietyä läpi. Onkin vaikea kuvitella virtauslaskentaa ilman suurteholaskentaympäristöä.
Saha-esimerkki havainnollistaa asiaa hyvin. Jos vertaamme keskenään puiden kaatamista käsin tai moderneilla metsäkoneilla, on selvää, että käsisahalla voidaan hakata vain hyvin rajallinen määrä puuta. Yhdenkään metsänomistajan metsää ei ole tänä päivänä kannattavaa hoitaa käsin.
Kun saha-esimerkkiä sovelletaan tietokoneisiin, tavallisessa kannettavassa on yleensä neljä prosessiydintä. Sillä ei saada kovinkaan montaa ”puuta kaadettua”, vaikka sahaajalla olisi miten paljon ruista ranteessa. Pieniä laskentatehtäviä voidaan toteuttaa tehokkaalla pöytäkoneella, jossa on muutama kymmenen prosessoriydintä. Simulointia on silloin kuitenkin yksinkertaistettava, mikä merkitsee informaation hukkaamista tai pahimmassa tapauksessa väärää informaatiota. Asiakkaan näkökulmasta se tarkoittaa taloudellista riskiä.
Yksinkertaistuksille ei ole tarvetta, jos käytetään supertietokonetta, jossa on yleensä satoja prosessoriytimiä. Suuruusluokasta kertoo, että voimme laskea supertietokoneella vuorokaudessa tapauksen, joka veisi tehokkaalla 36-ytimisellä pöytäkoneella yli 20 vuorokautta ja 4-ytimisellä läppärillä yli 7 kuukautta. Lisäksi projekteissa on usein analysoitava useita tapauksia, ja ne kaikki voidaan laskea supertietokoneella samaan aikaan rinnakkain: ei peräkkäin, niin kuin pöytäkoneella.
Etsimme aina asiakkaan kannalta optimaalisen supertietokoneiden käyttömäärän, mikä kustantaa tyypillisesti enintään kymmenen prosenttia simulointityön kokonaiskustannuksista. Kustannustehokkuutta lisää, että käytämme virtauslaskennassa lisenssivapaita avoimen lähdekoodin (open-source) työkaluja. Emme siis joudu siirtämään ohjelmistojen lisenssikustannuksia asiakkaiden maksettavaksi.
Veitsi ei tee kirurgia eikä ohjelmisto virtauslaskijaa
Tietokoneperusteisen laskennan kapasiteetti on kehittynyt viime vuosikymmeninä huimasti, ja kehitys jatkuu edelleen. Tietokoneiden lisäksi myös ohjelmistot ja teknologiat kehittyvät, mikä vaatii meiltä asiantuntijoilta kykyä omaksua koko ajan uusia taitoja. Pelkkä veitsi ei tee kirurgia, eikä oikean ohjelmiston tai laskentamallin käyttäminen virtauslaskijaa. Supertietokonekin on meille vain yksi työkalupakin osa, jota pitää osata käyttää fiksusti, tehokkaasti ja oikeassa paikassa.
Neuvoisinkin sinua asiakkaana vaatimaan enemmän ja ostamaan parasta hinta-laatusuhdetta myös teknisessä laskennassa. Data on kultaa, ja väärästä datasta tehdyt johtopäätökset voivat tulla kalliiksi. Kompromisseista tai pelkistä näteistä värikuvista ei kannata maksaa. Simuloinnin pitää tuottaa kuvaus, joka edustaa fysikaalista todellisuutta, ja supertietokoneiden numeronmurskauksella se onnistuu. Todellisuudessa supertietokoneesta ei aiheudukaan lisäkustannuksia, vaan säästöjä.
Eero Kokkonen, Swecon virtauslaskennan johtava asiantuntija, eero.kokkonen@sweco.fi
Teknisen laskennan asiantuntijamme tekevät vaativia lujuus- ja värähtelyanalyysejä, virtauslaskentaa, rakennusfysiikan laskentatehtäviä, kantavien rakenteiden optimointia sekä muita tuotekehityksen ja tutkimuksen laskentatehtäviä. Ole meihin yhteydessä!