Numerical Radiation Transport Algorithms for Emergent Computer Architectures

Abstract

The objective of this thesis is to research effective techniques for solving the 3D radiative transfer problem and to equip the radiative transfer algorithm of the PHOENIX/3D atmosphere modeling code with an alternative parallel solver. Due to its inherently parallel design and mirroring of the radiative transfer problems’ mathematical properties, e.g., narrow-bandedness, a modified parallel Gauss algorithm was selected. It was implemented as a stand-alone OpenCL code, as well as a MPI code, which is already a functioning part of PHOENIX/3D. Both implementations produce correct results. However, at the moment, the MPI implementation of the modified Gauss method needs significantly longer to finish execution than the original parallel Jacobi solver of PHOENIX/3D. On the other hand, it requires less iterations to converge, which is a favorable property, especially for large problems. In summary, the modified parallel Gauss method does indeed work as a solver for the 3D radiative transfer roblem, although further optimization is necessary for it to become a reasonable alternative to the original in-use solver of PHOENIX/3D.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, effektive Methoden zur Lösung des 3D Strahlungstransportproblems zu finden, und den PHOENIX/3D Code zur Atmosphärenmodellierung mit einem alternativen, parallelen Löser dafür auszustatten. Es wurde ein modifizierter, paralleler Gauss-Algorithmus ausgewählt, da er grundsätzlich parallel entworfen wurde und mathematische Eigenschaften des Strahlungstransportproblems, wie z.B. seine Band-Struktur, widerspiegelt. Der Algorithmus wurde sowohl als eigenständiger OpenCL-Code, als auch als MPI-Code implementiert, welcher bereits in PHOENIX/3D integriert ist. Beide Implementationen liefern korrekte Ergebnisse. Allerdings benötigt der modifizierte Gauss-Löser signifikant länger als der bereits in PHOENIX/3D vorhandene parallele Jacobi-Löser. Andererseits braucht er weniger Iterationen, um ein konvergiertes Ergebnis zu erhalten, was gerade für große Probleme eine vorteilhafte Eigenschaft ist. Zusammengefasst ist die modifizierte Gauss-Methode tatsächlich ein funktionierender Löser für das 3D Strahlungstransportproblem, obwohl noch weitere Optimierungen notwendig sind, damit er eine echte Alternative zum bereits vorhandenen PHOENIX/3D Strahlungstransport-Löser ist.