As CPU clock speeds have stagnated and high performance computers continue to have ever higher core counts, increased parallelism is needed to take advantage of these new architectures. Traditional serial time-marching schemes can be a significant bottleneck, as many types of simulations require large numbers of time-steps which must be computed sequentially. Parallel in Time schemes, such as the Multigrid Reduction in Time (MGRIT) method, remedy this by parallelizing across time-steps, and have shown promising results for parabolic problems. However, chaotic problems have proved more difficult, since chaotic initial value problems (IVPs) are inherently ill-conditioned. MGRIT relies on a hierarchy of successively coarser time-grids to iteratively correct the solution on the finest time-grid, but due to the nature of chaotic systems, small inaccuracies on the coarser levels can be greatly magnified and lead to poor coarse-grid corrections. Here we introduce a modified MGRIT algorithm based on an existing quadratically converging nonlinear extension to the multigrid Full Approximation Scheme (FAS), as well as a novel time-coarsening scheme. Together, these approaches better capture long-term chaotic behavior on coarse-grids and greatly improve convergence of MGRIT for chaotic IVPs. Further, we introduce a novel low memory variant of the algorithm for solving chaotic PDEs with MGRIT which not only solves the IVP, but also provides estimates for the unstable Lyapunov vectors of the system. We provide supporting numerical results for the Lorenz system and demonstrate parallel speedup for the chaotic Kuramoto- Sivashinsky partial differential equation over a significantly longer time-domain than in previous works.


翻译:由于CPU时钟速度停滞,高性能计算机继续出现更高的核心计数,需要增加平行性,以利用这些新结构。传统的连续序列时间拉动计划可能是一个很大的瓶颈,因为许多类型的模拟需要大量的时间步骤,必须按顺序进行计算。同时在时间办法中,如多格减少时间(MGRIT)方法,通过跨时间步骤的平行化来纠正这一点,并显示出对抛物线问题的有希望的结果。然而,混乱问题已证明更为困难,因为混乱的初始值问题(IVP)本来就是条件不良的。MGRIIT依靠连续的粗粗略时间网的等级来迭接地纠正解决方案,但由于混乱系统的性质,粗略地缩小了GIRT的不准确性,从而导致粗微的网格纠正。我们在这里引入了一个修改的MGRIIT算法,根据现有的二次曲线将非线性递增的非线性扩展到多格的全卡通性平离心法,MRICRIT系统(FAS)也通过一种新型的螺旋变法系统来大大改进MRIT和MRIL的系统。

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