MOOSE: una piattaforma per creare simulazioni multifisiche complesse
Negli ultimi decenni, i progressi tecnologici hanno aperto nuove entusiasmanti possibilità di ricerca in una varietà di campi, compresa la fisica. Tuttavia, creare simulazioni sofisticate per rappresentare o affrontare problemi multifisici utilizzando le risorse di elaborazione può essere ancora molto impegnativo.
I problemi multifisici collegano argomenti di diversi sottocampi della fisica, che in genere si basano su diversi costrutti teorici e conoscenze. Pertanto, la creazione di una simulazione multifisica richiede spesso una varietà di strumenti di simulazione sviluppati da ricercatori esperti in diversi sottocampi di fisica.
La combinazione di questi strumenti può essere sia impegnativa che dispendiosa in termini di tempo. Inoltre, le simulazioni multifisiche risultanti saranno inevitabilmente più soggette a errori, poiché dovranno incorporare elementi creati utilizzando piattaforme completamente diverse.
Consapevoli di queste sfide, i ricercatori dell’Idaho National Laboratory e dell’Università del Texas ad Austin hanno sviluppato una nuova piattaforma progettata per facilitare la produzione di simulazioni multifisiche, chiamata ambiente di simulazione orientata agli oggetti multifisici (MOOSE). MOOSE, presentato in un articolo pre-pubblicato su arXiv, fornisce un’infrastruttura plug-in che semplifica notevolmente le definizioni o i costrutti della fisica, le proprietà dei materiali e la post-elaborazione.
“MOOSE è nato perché volevamo applicare la nostra esperienza nell’architettura software per creare uno strumento potente, ma facile da usare per ricercatori e scienziati computazionali”, ha detto Cody J. Permann, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. “Abbiamo ritenuto che ci fosse l’opportunità di fare il passo logico successivo, basandosi sul lavoro di molti altri ricercatori di tutto rispetto responsabili dello sviluppo di potenti solutori paralleli (PETSc) e di una libreria di elementi finiti flessibile (libMesh).”
MOOSE è un’architettura innestabile di alto livello che consente a ingegneri e scienziati di sfruttare la potenza di grandi supercomputer quando cercano di risolvere complessi problemi del mondo reale, anche se hanno poca o nessuna conoscenza delle tecniche di programmazione parallela. Dalla sua uscita nel 2014, è cresciuto costantemente in popolarità ed è ora utilizzato da numerosi team di ricerca in tutto il mondo.
“Mentre ci sono altri pacchetti open source che hanno obiettivi simili, MOOSE contiene diverse funzionalità uniche che lo rendono un framework attraente per risolvere molti tipi di problemi”, ha spiegato Permann. “MOOSE consente agli sviluppatori di offrire loro una vera applicazione C ++ che possono personalizzare per le esigenze individuali.”
Tra le altre cose, l’esclusiva piattaforma sviluppata da Permann e dai suoi colleghi consente ai ricercatori di creare simulazioni accoppiate collegando più applicazioni di fisica. Contiene inoltre una serie di moduli di fisica gratuiti, creati dalla comunità e mantenuti che possono essere utilizzati come elementi costitutivi per produrre simulazioni multifisiche altamente complesse.
“MOOSE è stato sfruttato per creare una vasta gamma di simulazioni che vanno dalle simulazioni microscopiche di combustibile all’interno di un reattore nucleare a simulazioni ambientali su larga scala che studiano gli impatti delle operazioni di estrazione”, ha detto Permann.
MOOSE è già stato utilizzato da gruppi di ricerca che conducono studi su una varietà di argomenti, tra cui fisica nucleare, geotermia, eventi sismici, flusso di fluidi e processi di produzione. La piattaforma può essere ingrandita per produrre simulazioni ad alta fedeltà su grandi supercomputer, ma può anche essere semplicemente utilizzata da studenti laureati per creare simulazioni di qualità che riassumono i risultati degli studi sui loro laptop.
Dato che MOOSE è gratuito e accessibile su una varietà di computer, alla fine consente ai ricercatori con diversi livelli di competenza e in diverse istituzioni di produrre risultati di qualità di pubblicazione in meno tempo e con budget inferiori.
“Abbiamo in programma diversi miglioramenti per migliorare l’efficienza parallela e ridurre l’utilizzo della memoria. Stiamo sviluppando diversi nuovi moduli di fisica, insieme a miglioramenti ai moduli esistenti”, ha detto Permann. “MOOSE è ampiamente utilizzato dai ricercatori di diverse università e incoraggiamo i ricercatori a contribuire con le capacità generali al framework in modo che l’intera comunità di modellazione e simulazione tragga beneficio”.
