PIC-MC Plasmasimulation im D-Grid Von der Grid-Portierung bis hin zum Portal

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1 PIC-MC Plasmasimulation im D-Grid Von der Grid-Portierung bis hin zum Portal D-Grid Ergebniskonferenz , Wissenschaftszentrum Bonn Andreas Pflug, Jan Niemann, Christoph Schwanke, Michael Siemers 2002, Fraunhofer FEP PIC-MC Plasmasimulation im D-Grid Von der Grid-Portierung bis hin zum Portal 1. Das Particle-in-Cell Monte-Carlo Verfahren 2. Anpassung an die D-GRID-Infrastruktur Portierung (PVM MPI) Benchmarks am Cluster des Fraunhofer IST 3. Benchmarks zu parallelen PIC-MC Rechnungen im D-Grid Performance der Message-Passing Schnittstelle Gasfluss- und Plasmasimulation 4. Web-Portal: Benutzerschnittstelle und Job-Submit 5. Ausblick Nutzung von D-Grid Ressourcen in 2012

2 1 Das Particle-in-Cell Monte-Carlo - Verfahren Innerer Berechnungszyklus Parallelisierter Code in C++, Eigenentwicklung am Fraunhofer IST Partikelbasierter Lösungs-Ansatz für die Boltzmann-Gleichung Berücksichtigung der Lorentz-Kraft auf die Partikel Transport-Simulation ohne Plasma Partikel-Bewegung Zeitschritt δt Wand-Kollisionen - Absorption - Reflexion - Chem. Reaktion Elektrische Feldberechnung Erzeugung neuer Partikel Partikel-Kollisionen - Elastischer Stoß - Ionisation - Anregung -... M agnetfeld- Berechnung 1 Das Particle-in-Cell Monte-Carlo - Verfahren Simulationsbeispiel -> Magnetron-Sputtern Particle shield Physikalische Flächenfunktionen: Gaseinlass / Pumpe Wand-Temperatur Erzeugung von Sekundärelektronen Elektrische Randbedingungen Chamber wall Substrate Gas inlet Target 1 Target 2 Dark space shielding Magnetron 1 Magnetron 2

3 1 Das Particle-in-Cell Monte-Carlo - Verfahren Simulationsbeispiel -> Magnetron-Sputtern RF- und DC - Plasma Im RF-Fall: Erhöhte Ionization im freien Volumen durch Elektronen-Oszillation Dadurch erhöhtes Plasmapotential und höheres Ionenbombardement auf allen Flächen Das unterschiedliche Ionenbombardment hat i. d. R. Auswirkungen auf Schichteigenschaften DC Simulierte power, 1.0 Dichte Pa, 50 W/m, der 40% Ar + O - Ionen in Ar DC power, 1.0 Pa, 50 W/m, 40 % O 2 in Ar RF power, MHz RF power, MHz Ar + flux [1 / cm² s] Das Particle-in-Cell Monte-Carlo - Verfahren Motivation und Arbeiten im Projekt PT-GRID Motivation PIC-MC Simulationen sind sehr rechenintensiv. Viele Aspekte von Plasmaentladungen sind immer noch nicht vollständig verstanden. Hier können massiv-parallele Simulationsrechnungen weiterhelfen. Die Datenlage bzgl. der Plasmachemie (Wirkungsquerschnitte) und Wandreaktionen ist relativ dünn und uneinheitlich. Eine Vernetzung experimenteller und theoretischer Forschergruppen zur Datenerfassung und Simulation kann hier Vorschub bringen Arbeiten im Projekt PT-Grid Soll-Ist-Erfassung D-Grid Integration der PIC-MC Software Benutzeroberfläche / Portal-Schnittstelle Pilottests für parallele PIC-MC Simulationen im D-Grid

4 2 Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur Durchgeführte Änderungen Portierung PVM MPI Die Wahl der MPI-Bibliothek fiel auf OpenMPI (Version >= 1.3.3). Bei der Portierung zeigten sich charakteristische Performance-Unterschiede zwischen PVM und MPI. Anpassung an Batch-Scheduler Bisher wurde die Anzahl benötigter CPUs im Simulationsparameter-File angegeben. Beim Simulationsstart via Grid-Engine wird die Anzahl der CPUs dagegen im Job-Submit-Aufruf vorgegeben. Die neue PIC-MC-Version ermittelt die Anzahl gestarteter Prozesse beim Start automatisch. Das Load-Balancing erfolgt nun automatisch anhand der Verteilung der Prozesse auf dem Cluster. Weitere Änderungen Iterativer, integrierter Poisson-Solver im Projekt COSMOS (Volkswagenstiftung) beseitigt weitere Abhängigkeiten von externen Bibliotheken (UMFPACK) und ist damit hilfreich für Grid-Nutzung. 2 Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur PIC-MC Software vor PT-GRID (~ Mitte 2009)

5 2 Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur PIC-MC Software nach den Änderungen (~ Juni 2010) 2 Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur Entwicklungsstand Juni 2010 / Benötigte Libraries Library Anwendung Version Betr. Modul Lizenz libc6 (glibc) C-Library z. B Alle LGPL libstdc++ C++-Library z. B nicht zwingend erforderlich OpenMPI Parallelisierung Message-Passing >= Mit Deadlocks aufgetreten Alle GPL3 mit runtimeexception(!) New BSD ATLAS Lineare Algebra Für den neuen BSD integrierten PETSC Paralleler linearer BSD Poisson-Solver Solver (iterativ) nicht mehr UMFPACK Serieller, direkter Solver 5.1 erforderlich. LGPL GPL ab v. 5.2 Plasma-Simulation erfordert lediglich OpenMPI in Version >=

6 2 Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur Kommunikation OpenMPI vs. PVM Kommunikations-Arten a) Master <-> Slaves (Ping-Pong) b) Tokenring CPU time [s] for communication cycles allocated 1 node with 8 CPU slots allocated 2 nodes with 16 CPU slots allocated 3 nodes with 24 CPU slots PVM (Master-Slave) MPI (Master-Slave) PVM (Slave-Slave) MPI (Slave-Slave) 0, Total number of processes Schwanke, C.; Pflug, A.; Siemers, M.; Szyszka, B.: Poster, PARA 2010, Reykjavik (2010). Schwanke, C.; Pflug, A.; Siemers, M.; Szyszka, B.: LNCS 7133 (2012), pp Anpassung an die D-Grid-Infrastruktur Benchmark mit DSMC-Strömungssimulation 200% higher communication load Performance M PI / PVM 150% 100% 50% Pump Inlet 0% 1 / 1.0 Pa / 0.5 Pa 12 / 1.0 Pa / 0.5 Pa 12 / 0.5 Pa / 0.1 Pa 12 / 0.1 Pa / 0.0 Pa Number of processes / Inlet- / Pre-Pressure Schwanke, C.; Pflug, A.; Siemers, M.; Szyszka, B.: Poster, PARA 2010, Reykjavik (2010). Schwanke, C.; Pflug, A.; Siemers, M.; Szyszka, B.: LNCS 7133 (2012), pp

7 3 Benchmarks im D-Grid Vorarbeiten Auswahl der Grid-Ressourcen Auswahl in Frage kommender D-Grid Ressourcen Testprogramm mpitest zur Messung der Message-Passing-Performance im Tokenring-Verfahren. Nicht alle Ressourcen seitens VO PT-GRID erreichbar Test-Cases Testcase für DSMC-Strömungssimulation Testcase für 3D PIC-MC Plasmasimulation motiviert aus öffentlich gefördertem Projekt COSMOS (Volkswagen-Stiftung) Starten paralleler Anwendungen im D-Grid Skripte für unterschiedliche Batch-Scheduler / Cluster-Layouts Verwendung von globusrun-ws (4.0.8) für parallele Anwendungen nicht trivial (<extensions>-tag zur Übergabe von Scheduler-Parametern). 3 Benchmarks im D-Grid mpitest Ergebnisse für Runden Tokenring Grid-Cluster Netzwerk- Schnittstelle Scheduler Anzahl Knoten Prozesse pro Knoten Prozesse insgesamt mpitest- Laufzeit [s] IST-Linux-Cluster GBit-Ethernet Uni-Mannheim (BWGrid) gtbw.grid.uni-mannheim.de HLRS Stuttgart (BWGrid) gridway.dgrid.hlrs.de Uni-Freiburg (BWGrid) globus.bfg.uni-freiburg.de Uni-Esslingen (BWGrid) grid01.hs-esslingen.de LRZ München lxgt2.lrz-muenchen.de Infiniband PBS Infiniband PBS Infiniband PBS GBit Ethernet PBS Myrinet SGE TU-Dortmund (GRID-Cluster) udo.gt01.grid.unidortmund.de TU-Dortmund (Testcluster für PT-Grid) ptgrid.it.irf.tu-dortmund.de 100 Mbit PBS Ethernet Gbit Ethernet PBS GBit Ethernet PBS

8 3 Benchmarks im D-Grid Testcase für DSMC - Strömungssimulation 3 Benchmarks im D-Grid DSMC Testcase Geometrie Rohrdurchmesser 5 cm, Länge 40 cm Angrenzende Buffer-Volumen mit Gaseinlass und Pumpe Gesamtvolumen 62 x 42 x 42 cm³ Zellvolumen 1 cm³ kubische Zellen Simulationsparameter Zeitraum: 0.4 s Schrittweite = 10-5 s insgesamt DSMC-Iterationen Gas-Spezies Argon, ca. 10 Simulationspartikel pro Zelle Gesamtlaufzeit in der Größenordnung 60 min

9 3 Benchmarks im D-Grid DSMC-Testcase: PBS-Skript für BW-Grid - Ressourcen #!/bin/bash #PBS -l nodes=2:ppn=8,walltime=06:00:00 #PBS -e $HOME/$PBS_JOBID.stderr #PBS -o $HOME/$PBS_JOBID.stdout module load compiler/gnu/4.3 module load mpi/openmpi/1.4.3-gnu-4.3 tar xjf picmc_grid.tar.bz2 WS=$(ws_find picmc) cp par.tar.bz2 $WS cd $WS tar xjf par.tar.bz2 export PICMCPATH=$HOME/picmc_GRID export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$PICMCPATH/lib mpirun -x LD_LIBRARY_PATH -x PICMCPATH \ -np 1 $PICMCPATH/bin/rvm -i $PICMCPATH -l scr/master.r tube.par : \ -np 9 $PICMCPATH/bin/picmc cd $HOME rm -rf picmc_grid 3 Benchmarks im D-Grid DSMC-Testcase: Gemessene Laufzeiten Cluster URL Angef. CPU- Kerne picmc- Prozesse Laufzeit [min] IST-Cluster - 1x HLRS Stuttgart gridway.dgrid.hlrs.de 2x Uni Mannheim gtbw.grid.uni-mannheim.de 2x Uni Esslingen grid01.hs-esslingen.de 2x Uni Freiburg globus.bfg.uni-freiburg.de 2x TU Dortmund udo-gt01.tu-dortmund.de 4x3 (VMs) 9 78

10 3 Benchmarks im D-Grid PIC-MC: 3D-Simulation einer Sputter-Entladung Ring- Magnetsatz Ring-Plasma mit Fluktuationen Abschirmung (geerdet) Target Substrate Rechenzeiten: 50 µs mit 32 CPUs IST-Cluster: 45 h BW-Grid Uni Mannheim: 24 h 4 Web-Portal Benutzeroberfläche Entwicklungsumgebung: Eclipse (JAVA), JDK, Apache Tomcat, JSON, Google Web Toolkit, Liferay Testumgebung am IST-Cluster mit Anzeige des Berechnungsfortschritts und Einflussmöglichkeiten während der Berechnung Job-Submit optional auch via globus-basiertem IRF-Scheduler (TU-Dortmund) mit eingeschränkten Steuer- und Überwachungsfunktionen möglich Hochladen der Geometrie und editieren aller Parameter in GWT-Formularen Testbetrieb unter https://ptgrid.ist.fraunhofer.de:8443/portal

11 4 Web-Portal Benutzeroberfläche 4 Web-Portal Web-Schnittstelle zum Job Submit (GNS Systems) CGI-Formulardaten Umgebungsvariablen Liefert Dateien aus, wenn URL /results/ enthält Kommukation mit GWT-Portlet via https- Zugriffe Datei Parameters Datei Capabilities

12 4 Web-Portal Web-Schnittstelle zum Job Submit (GNS Systems) Bisher umgesetzte Adapter zum Submit von parallelen PIC-MC Jobs ptgrid ptgrid.it.irf.tu-dortmund.de via IRF-Scheduler bwgrid bwgrid-ressourcen via gsissh PBS Derzeitiger Entwicklungsstand Job-Submit an D-Grid-Ressourcen via Test-Portlet von ptgrid.ist.fraunhofer.de aus möglich Schnittstelle kommt im Portal des INP-Greifswald sowie an der Ruhr-Uni Bochum zum Einsatz. 5 Ausblick 3D Plasmarechnungen im D-Grid Hochauflösende 3D-Rechnung eines Magnetron-Ring-Plasmas (auf gtbw.grid.uni-mannheim.de gerechnet) Magnetron-Ring-Plasma mit Hochgeschwindigkeits-Kamera ( Ehiasarian, A. P.; Hecimovic, A.; de los Arcos, T. et al.: APL 100 (2012), )

13 5 Ausblick 3D-Plasmarechnungen im D-Grid Mit Ruhr-Uni Bochum wurde Informationsaustausch und gemeinsame Veröffentlichung zu Fluktuationen in Magnetron-Ring-Plasmen vereinbart Abstract zu PSE Sept eingereicht Abstract für NAFEMS-Konferenz Mai 2012 eingereicht (bis dahin sollten zumindest Vorabergebnisse zu diesem Thema vorliegen) Öffentliches Projekt auf IST-Seite: Cosmos (Serial Co-Sputtering for Functional Multicomponent Thin Films) zusammen mit Uni Uppsala, RWTH Aachen Ruhr-Uni Bochum (Prof. Winter, Dr. A. Hecimovic) assoziierter Partner seit Ende 2011 Weitere Grid-Nutzung im EU-Projekt ORAMA geplant, hier geht es um Ionenbombardment von Substraten in Magnetron-Plasmen (Stichwort: Plasmadamage von Halbleiter-Bauelementen) Nutzung des D-Grid / BW-Grid möglichst noch im ganzen Jahr 2012

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