Tree-SPH code EvoL: profiling and optimization

This thesis is part of a larger project devoted to modeling galaxies via numerical hydrodynamical simulations, from their formation within their cosmological background throughout their evolutionary history. The thesis has two primary objectives, strictly linked with one another. The first one, of astrophysical nature, is to develop a purely theoretical scenario for the formation and evolution of galaxies in the cosmological context. Given the complexity of the targeted physical systems, it is necessary to rely upon on numerical simulations which in turn require an appropriate numerical code, able to follow the complex physics of galaxies. Therefore, the second objective is the optimization of such code, according to the paradigms of modern computational science. Indeed, given the complexity of the involved physical phenomena the code must be enriched with a number of complex algorithms, which at the same time slow down its performance to such a point that it is difficult to extensively use it to explore the whole scenario in detail, unless sophisticated optimization techniques are applied to drastically reduce the computational time. In this thesis I have studied the problem of the optimization of numerical codes in serial and parallel architectures and I will present the different strategies I have adopted to make them faster, with particular attention to EvoL, the N-body Tree-SPH code entirely written in the house and widely used by the Padua group. To develop and optimize a code like EvoL, specific skills are needed, ranging from classical astrophysics to computer science. To cope with this, in the thesis I first introduce some general concepts on the functioning of a computer machine, its structure and architecture, the various reasons why a code, although correct from a mathematical and logical point a view, does not in practice work at the maximum level of efficiency and does not exploit the formal computing power to disposal in a optimal form. To this aim, I examine some important aspects of the general behaviour of a code and highlight several strategies that can be followed to optimize it. In particular, I analyze the code response in different situations highlighting the limitations, the routines with the heaviest load, and the importance of the communications between CPUs in parallel environment. Given these premises, we present EvoL, a lagrangian code based on the classical NB-TSPH formalism, and describe in some detail its structure and physical content. In particular we report on the new physical treatment of the interstellar medium and the companion codes ROBO and MaNN we have recently developed, and how they are implemented in EvoL. Then we describe the various optimizations we have applied to EvoL in order to improve its efficiency. Finally we report on the physical results we have obtained using EvoL, and ancillary codes ROBO and MaNN. In brief, we describe the physical content of the last release of EvoL, and the many hydrodynamical test we have performed to validate it. Second we describe the two studies dedicated to the treatment of the interstellar medium with the state of the art description of its chemistry and thermodynamical properties, and how these results can be implemented in EvoL, thanks to an extensive use of the artificial neural networks. Finally we present a set new models of early type galaxies obtained from cosmological initial conditions at varying the initial mass and density contrast with respect to the cosmological background and their subsequent evolution into well behaved galaxies. Particular attention is paid to the different role played by the density contrast of dark matter in the proto-halo generating the galaxy and the density of the baryonic matter (gas) required to initiate the star formation process. In general, while proto-galaxies of high mass give origin to a single dominant episode of star formation taking place very early on in a galaxy’s history, proto-galaxies of low mass have a more complicated history of star formation, which a series of episodes of variable intensity often interrupted by periods of quiescence.

Questa tesi è parte di un più ampio progetto dedicato alla comprensione e alla modellizzazione della formazione ed evoluzione delle galassie da diversi punti di vista: formazione di strutture cosmologiche a tutte le scale e formazione ed evoluzione della singole entità fatte di materia oscura e barionica. La tesi ha due obiettivi fondamentali intimamente legati. Il primo di natura astrofisica è già stato toccato e riguarda lo sviluppo di uno scenario puramente teorico per la formazione ed evoluzione delle galassie in contesto cosmologico. Data la complessità dei sistemi fisici studiati, il lavoro è fortemente basato su simulazioni numeriche che richiedono appropriati codici in grado di seguire la complessa fisica delle galassie. Pertanto, il secondo obiettivo riguarda l’ottimizzazione del codice numerico secondo i paradigmi della moderna scienza computazionale. Infatti, la complessità dei fenomeni fisici considerati, rende il codice più dettagliato da un punto di vista fisico, ma allo stesso tempo, lo rallenta al punto che non può essere direttamente utilizzato in modo sistematico, a meno che non vengano applicate sofisticate tecniche di ottimizzazione per ridurne drasticamente i tempi di calcolo. In questa tesi ho studiato il problema della ottimizzazione di codici numerici in architetture seriali e parallele e le strategie adottate per renderli più veloci, con particolare attenzione al codice EvoL interamente scritto in casa e ampiamente utilizzato il gruppo di Padova. Per sviluppare e ottimizzare un codice come EvoL sono necessarie competenze specifiche che vanno dalla astrofisica classica alla “computer science”. In sintesi, ho esaminato alcuni aspetti importanti del comportamento generale del codice e illustrato le diverse strategie applicate per ottimizzarlo. In particolare ho analizzato la risposta di un codice in situazioni diverse mettendo in evidenza i limiti globali, le routine di calcolo che spendono più tempo, e l’importanza delle comunicazioni MPI. Viene poi presentato il codice evolutivo e il suo contenuto fisico: EvoL è l’ultima versione del codice numerico lagrangiano sviluppato a Padova da C. Chiosi e collaboratori (Carraro et al. 1998; Merlin et al. 2010) basato sui classici algoritmi Tree-code (Barnes and Hut 1986) e SPH (Lucy 1977). Riporto il nuovo trattamento fisico del mezzo interstellare attraverso i codici recentemente sviluppati ROBO e MaNN, e l’implementazione del modello in EvoL. Ancora, vengono descritte le metodologie usate per valutare l’efficienza complessiva di EvoL, e le varie ottimizzazioni applicate; si descrivono anche i risultati ottenuti utilizzando il codice. Prima sono illustrati i diversi miglioramenti fisici che abbiamo incluso in EvoL, e i relativi tests idrodinamici fatti per validare il suo contenuto fisico. Successivamente si descrivono i due studi dedicati al trattamento del mezzo interstellare, della sua chimica, delle sue proprietà termodinamiche. Infine presentiamo una nuova serie di modelli di galassie “early type”, ottenute da condizioni iniziali cosmologiche variando la massa iniziale e il contrasto di densità rispetto al fondo cosmologico, e la loro successiva evoluzione. Particolare attenzione è rivolta al diverso ruolo svolto dal contrasto densità di materia oscura nel proto-alone e la densità della materia barionica (gas) necessaria per avviare il processo di formazione stellare. In generale, mentre le proto-galassie di grande massa danno origine ad un singolo episodio di formazione stellare che avviene precocemente nel corso della storia evolutiva della galassia, le proto-galassie di piccola massa hanno una storia di formazione stellare più complicata, con una serie di episodi di intensità variabile spesso interrotti da periodi di quiescenza.