Tree-SPH code EvoL: profiling and optimization

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.