Aspects of parallel computing to solve Helmholtz equation by a direct solver with low-rank approximation and the HSS format of data storage

Abstract

Предложен алгоритм решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), основанный на методе исключении Гаусса и предназначенный для решения уравнения Гельмгольца в трехмерных неоднородных средах. Для решения СЛАУ, возникающих в геофизических приложениях, разработана параллельная версия алгоритма, направленная на использование гетерогенных высокопроизводительных вычислительных систем, содержащих узлы с MPP- и SMP-архитектурой. Малоранговая аппроксимация, HSS-формат и динамическое распределение промежуточных результатов среди кластерных узлов позволяют решать задачи в разы большие, чем при использовании традиционных прямых методов, сохраняющих блоки $L$-фактора в полном ранге (Full-Rank, FR). Использование предложенного алгоритма позволяет сократить время расчетов, что актуально для решения трехмерных задач геофизики. Численные эксперименты подтверждают упомянутые преимущества предложенного малорангового прямого метода (Low-Rank, LR) по сравнению с прямыми FR-методами. На модельных геофизических задачах показана жизнеспособность реализованного алгоритма. An algorithm for solving systems of linear algebraic equations based on the Gaussian elimination method is proposed. The algorithm is aimed to solve boundary value problems for the Helmholtz equation in 3D heterogeneous media. In order to solve linear systems raised from geophysical applications, we developed a parallel version targeted on heterogeneous high-performance computing clusters (MPP and SMP architecture). Using the low-rank approximation technique and the HSS format allows us to solve problems larger than by the use of traditional direct solvers with saving the L-factor in full rank (FR). Using the proposed approach reduces computation time; it is the key-point of 3D geophysical problems. Numerical experiments demonstrate a number of advantages of the proposed low-rank approach in comparison with direct solvers (FR-approaches).