Seminář UPSY - Jaroš J. Superpočítačové simulace šíření ultrazvuku v lidském těle

Realistické simulace šíření ultrazvukových vln v živých tkáních nabízí široký rozsah využití. Velmi slibnou oblastí je fokusovaný ultrazvuk o vysoké intenzitě používaný v neinvazivní chirurgii k léčbě nádorových onemocnění či zastavování vnitřního krvácení. Tato metoda pracuje na principu vysílání svazku soustředěných paprsků ultrazvukových vln do tkáně. Akustická energie dosahuje v místě ohniska takové úrovně, že způsobuje buněčnou nekrózu, zatímco tkáň mimo ohnisko ponechává bez poškození.

Pro úspěšnou a šetrnou léčbu je nutné precizně umístit ohnisko ultrazvukových vln. Přesného zacílení je však velmi obtížné dosáhnout vzhledem ke zkreslení ultrazvukové vlny způsobené průchodem tkáněmi o různých vlastnostech (vrstvy tuku, měkké tkáně, chrupavky a kosti). Zde přichází ke slovu počítačové simulace, které poskytnou přesné operační plány pro konkrétního pacienta. Realistické simulace však vyžadují obrovské datovém množiny a výpočetní výkon, který jsou schopny poskytnout pouze superpočítačové systémy.

Jedním z moderních akustických simulačních systémů je toolbox k-Wave (http://www.k-wave.org/), který vznikl jako rozšíření Matlabu v roce 2009 na University College London. V roce 2011 byl vývoj přenesen na Australskou Národní Universitu, kde jsem se k projektu připojil i já.

Během dvou let se povedlo vytvořit vysoce výkonnou implementaci v C++, která je schopna efektivně využívat až 4096 procesorových jader. Tato implementace umožnila zvětšit velikost simulační domény o tři řády, při zachování realistické časové náročnosti simulace. V roce 2013 byl vývoj toolboxu přenesen zpět do Evropy. V Londýně probíhá vývoj fyzikálního modelu, zatímco implementace, ladění a škálování probíhá na FIT VUT v Brně za podpory superpočítačových alokací v rámci projektů IT4I a PRACE.

V rámci přednášky budou představy kroky a úskalí, které vedly od vývoje první sekvenční verze až po vysoce efektivní paralelní variantu testovanou a produkčně běžící na předních superpočítačích světa (Vayu, Raijin, HECToR, Emerald, Salomon). Dále budou prezentovány současné pokroky ve vyžití hybridních systémů (GPU), či nové techniky dekompozice, které by měli umožnit škálování za hranici 10.000 procesorových jader.