In-Situ Visualisierung und Streaming von Plasmasimulationsdaten

Deutsch:

Computersimulationen sind heutzutage ein wichtiges, wissenschaftliches Instrument. Visualisierungen dieser helfen dabei die Daten zu verstehen und zu interpretieren. Da auf heutigen Peta- und zukünftigen Exascalesystemen zu viele Daten pro Zeitschritt entstehen, um sie komplett in einem Postprocessingschritt visualisieren zu können, stellt diese Arbeit die In-Situ Visualisierungsbibliothek ISAAC vor, die die Daten direkt nach ihrer Entstehung verteilt visualisieren kann, ohne sie zu speichern oder zu übertragen. Mithilfe von Templates und Template Metaprogrammierung wird ein abstraktes, wiederverwendbares Interface beschrieben, welches trotzdem eine simulationsspezifische Optimierung erlaubt. Die Visualisierung mittels Raytracing erfolgt auf den Originaldaten der Simulation, auch wenn diese auf einem Rechenbeschleuniger wie Nvidia GPUs oder Intel Xeon Phis läuft. In diesem Fall nutzt auch ISAAC die Beschleunigerhardware. Des Weiteren wird die Möglichkeit beschrieben, beliebige Metadaten zwischen Clients und Simulationen auszutauschen, insbesondere um sie live steuern zu können.
Neben der C++ Visualisierungsbibliohtek für Simulationen wird weiterhin ein generischer, zentraler Server zur Videostreamerzeugung motiviert und beschrieben sowie ein einfacher HTML Referenzclient zur Anzeige und Steuerung der Simulation implementiert. Zur Evaluierung der Lösung wird mit ISAAC die verteilte, GPU-beschleunigte Plasmasimulation PIConGPU des HZDR visualisiert. Des Weiteren wird die Rendergeschwindigkeit in Abhängigkeit verschiedener Parameter gemessen und diskutiert.

English:

Computer simulations are important scientific instruments these days. Visualizations help to understand and interpret these data. Since with the classic post processing approach too much data is produced per time step on recent peta scale and future exa scale systems this thesis introduces the in situ visualization library ISAAC, which is able to visualize distributed data right after creation without theneed to store or transmit them. Using templates and template meta programming an abstract and reusable interface is described, which still enables simulation specific optimizations. The visualization over ray tracing works on the original data of the simulation, even if it runs on computation accelerators like Nvidia GPUs or Intel Xeon Phis. In these cases ISAAC is using the accelerators, too. Furthermore a way of sending and receiving meta data from and to simulations is described, especially to be able to steer them.
Besides this C++ library for visualization of simulations, a generic central server for creating video streams is motivated and described and also a simple HTML reference client for showing and steering simulations is implemented. For the evaluation of the solution, ISAAC is used to visualize the distributed gpu-based plasma simulation PIConGPU form the HZDR. Furthermore the speed of rendering dependent on different parameters is measured and discussed.