Accelerare i raggi cosmici sulla GPU

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia scoperte un centinaio di anni fa, e tutt’ora si è incerti sulla loro origine esatta. In astrofisica computazionale, lo studio di queste particelle si avvale di simulazioni idrodinamiche che riproducono il comportamento dei cluster di galassie, consentendo di osservare la loro evoluzione nel tempo. A partire da queste simulazioni è possibile ricavare dei dati che possono essere direttamente confrontati con le osservazioni astronomiche reali. Spesso, queste simulazioni comportano tempi di calcolo molto elevati, dovuti al gran numero di computazioni effettuate al loro interno. Per far fronte a questo problema, si ricorre a tecniche di high performance computing, che consentono di sfruttare il parallelismo offerto dalle architetture hardware moderne per migliorare le prestazioni dei programmi utilizzati. All’interno di questa tesi, si considera un programma che consente di generare delle osservazioni sui raggi cosmici a partire dai risultati di una simulazione svolta in precedenza, attraverso la risoluzione dell’equazione di Fokker-Planck con il metodo di Chang-Cooper. L’obiettivo è valutare le prestazioni del parallelismo CPU già implementato nel codice, per poi realizzare una versione che sfrutta il parallelismo GPU. In questa versione, si intende valutare l’efficienza e la facilità di utilizzo della libreria OpenMP, che utilizza un approccio basato sulle direttive, nell’ottimizzare sulla GPU un codice di grandi dimensioni. Il lavoro presentato nella tesi prevede quindi una prima fase di analisi delle caratteristiche del codice di riferimento, seguita da una valutazione delle prestazioni allo stato attuale, e infine una fase di implementazione del codice GPU basata sull’approccio a direttive offerto da OpenMP. Le ultime due fasi sono state svolte sfruttando l’architettura ad alte prestazioni del supercomputer Leonardo, messo a disposizione dal CINECA.