Runtime optimization of SuperFINIX multi-rod fuel performance program

Abstract

The optimization of two fuel performance programs; FINIX and SuperFINIX is conducted in this work. The optimization of these programs is motivated by the recent demand on performing computationally intensive fuel performance calculations in a large reactor physics framework.

The programs are optimized separately by using different optimization methods. The FINIX program is characterized with the runtime profiling method, and the SuperFINIX program is developed to support message passing interface (MPI) parallelization. The runtime profiling method will reveal possible bottlenecks and sections in the FINIX program that are inefficient, and thus in some calculations can be excluded with minimal effect on the calculation accuracy. The developed version of the SuperFINIX program supports MPI parallelization and is able to perform large parallel calculations on computer clusters.

The runtime profiling analysis performed on the FINIX program revealed the complex interconnection between the various thermal and mechanical models, indicating that no model exclusion from the full calculation chain results in program runtime speedup without any losses in calculation accuracy. However, some of these models had a minimal effect on the calculation accuracy but a high contribution to the computational time. Therefore, in some calculations the trade-off can be considered.

The MPI parallelization functionality was successfully implemented to the SuperFINIX program. The scaling of the MPI parallelization feature was tested and compared to the previously implemented multiprocessing (MP) parallelization functionality. Furthermore, in the parallel calculations the MPI and MP can be used simultaneously, and therefore the tandem use was also tested. The scaling tests indicate that the performance of the MPI and MP in parallel procession is almost identical and generally good. The simultaneous use of MPI and MP first gave poor scaling results, but after a new version of the FINIX program was acquired, the scaling results were excellent.

Kahden polttoainemallinnusohjelmiston optimointi suoritettiin tässä työssä. Näiden ohjelmistojen optimoinnin motivaationa oli tarve suorittaa laskennallisesti haastavia polttoainemallinnuslaskuja laajassa reaktorifysiikan viitekehyksessä.

Ohjelmistojen optimoinnit suoritettiin erikseen käyttämällä eri metodeja. FINIX-ohjelmisto karakterisoitiin suorituskyvyn profilointimenetelmällä, ja SuperFINIX ohjelmistoa kehitettiin lisäämällä MPI-rinnakkaislaskentaominaisuus. Suorituskyvyn profiloinnilla saadaan selville mahdolliset pullonkaulat ja tehottomat osat FINIX-ohjelmistossa. Tätä tietoa hyödyntäen voidaan optimoida FINIX-ohjelmiston suorituskyky poissulkemalla tehottomia malleja, joilla on korkeintaan vähäisiä vaikutuksia tulosten tarkkuuteen. SuperFINIX-ohjelmistoon implementoitu MPI-rinnakkaislaskentakyky mahdollistaa suurien laskujen rinnakkaisprosessoinnin laskentaklustereilla.

Suorituskyvyn profiloinnin tuloksena paljastui FINIX-mallien monimutkainen keskinäinen kytkeytyminen. Lisäksi, paljastui ettei minkään FINIX-mallin poiskytkeminen paranna suorituskykyä vaikuttamatta tulosten tarkkuuteen. Kuitenkin, joillain malleilla oli minimaalisia vaikutuksia tulosten tarkkuuteen, joten joidenkin laskujen kohdalla näiden mallien poiskytkemistä voidaan harkita.

MPI-rinnakkaislaskentaominaisuus saatiin onnistuneesti implementoitua SuperFINIX ohjelmistoon. MPI-rinnakkaislaskentaa testattiin skaalautuvuustesteissä, ja testien tuloksia verrattiin jo olemassa olevaan MP-rinnakkaislaskentaominaisuuden skaalautuvuuteen. Lisäksi MPI- ja MP-rinnakkaislaskentaa voidaan käyttää samanaikaisesti, joten myös tämä ominaisuus testattiin. Skaalautuvuustesteistä selvisi, että MPI- ja MP-rinnakkaislaskentaominaisuudet skaalautuvat lähes identtisesti ja kaiken kaikkiaan hyvin. Ensimmäiset tulokset MPI- ja MP-menetelmien yhteiskäytöstä antoivat huonoja tuloksia skaalautuvuuden suhteen. Toiset tulokset tällä yhdistetyllä menetelmällä suoritettiin uudella FINIX-ohjelmistoversiolla, jolla tulokset olivat korjautuneet ja skaalautuvuus oli erinomainen.