Cloud-efficient modelling and simulation of magnetic nano materials

Ivanović, Pavle

Scientific simulations are rarely attempted in a cloud due to the substantial performance costs of virtualization. Considerable communication overheads, intolerable latencies, and inefficient hardware emulation are the main reasons why this emerging technology has not been fully exploited. On the other hand, the progress of computing infrastructure nowadays is strongly dependent on perspective storage medium development, where efficient micromagnetic simulations play a vital role in future memory design. This thesis addresses both these topics by merging micromagnetic simulations with the latest OpenStack cloud implementation while providing a time and costeffective alternative to expensive computing centers. However, many challenges have to be addressed before a high-performance cloud platform emerges as a solution for problems in micromagnetic research communities. First, the best solver candidate has to be selected and further improved, particularly in the parallelization and process communication domain. Second, a 3-level cloud communication hierarchy needs to be recognized and each segment adequately addressed. The required steps include breaking the VMisolation for the host’s shared memory activation, cloud network-stack tuning, optimization, and efficient communication hardware integration. The project work concludes with practical measurements and confirmation of successfully implemented simulation into an open-source cloud environment. It is achieved that the renewed Magpar solver runs for the first time in the OpenStack cloud by using ivshmem for shared memory communication. Also, extensive measurements proved the effectiveness of our solutions, yielding from sixty percent to over ten times better results than those achieved in the standard cloud.

Aufgrund der erheblichen Leistungskosten der Virtualisierung werden wissenschaftliche Simulationen in einer Cloud selten versucht. Beträchtlicher Kommunikationsaufwand, erhebliche Latenzen und ineffiziente Hardwareemulation sind die Hauptgründe, warum diese aufkommende Technologie nicht vollständig genutzt wurde. Andererseits hängt der Fortschritt der Computertechnologie heutzutage stark von der Entwicklung perspektivischer Speichermedien ab, bei denen effiziente mikromagnetische Simulationen eine wichtige Rolle für die zukünftige Speichertechnologie spielen. Diese Arbeit befasst sich mit diesen beiden Themen, indem mikromagnetische Simulationen mit der neuesten OpenStack Cloud-Implementierung zusammengeführt werden, um eine zeit- und kostengünstige Alternative zu teuren Rechenzentren bereitzustellen. Viele Herausforderungen müssen jedoch angegangen werden, bevor eine leistungsstarke Cloud-Plattform als Lösung für Probleme in mikromagnetischen Forschungsgemeinschaften entsteht. Zunächst muss der beste Kandidat für die Lösung ausgewählt und weiter verbessert werden, insbesondere im Bereich der Parallelisierung und Prozesskommunikation. Zweitens muss eine 3-stufige CloudKommunikationshierarchie erkannt und jedes Segment angemessen adressiert werden. Die erforderlichen Schritte umfassen das Aufheben der VM-Isolation, um den gemeinsam genutzten Speicher zwischen Cloud-Instanzen zu aktivieren, die Optimierung des Cloud-Netzwerkstapels und die effiziente Integration von Kommunikationshardware. Die praktische Arbeit endet mit Messungen und der Bestätigung einer erfolgreich implementierten Simulation in einer Open-Source Cloud-Umgebung. Als Ergebnis haben wir erreicht, dass der neu erstellte Magpar-Solver zum ersten Mal in der OpenStack Cloud ausgeführt wird, indem ivshmem für die Shared-Memory Kommunikation verwendet wird. Umfangreiche Messungen haben auch die Wirksamkeit unserer Lösungen bewiesen und von sechzig Prozent bis zu zehnmal besseren Ergebnissen als in der Standard Cloud geführt.

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Ivanović, Pavle: Cloud-efficient modelling and simulation of magnetic nano materials. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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