Elmer: monipuolista fysikaalista mallinnusta

Elmer on yksi johtavista monifysikaalisista mallinnusohjelmistoista. Elmerin vahvuus on sen monipuolisuus: se soveltuu monille tieteenaloille ja sitä voi käyttää monilla alustoilla. Vuonna 2008 Elmer lisensoitiin avoimen lähdekoodin ohjelmistoksi, joten lisenssimaksuttomuus helpottaa käyttöä tutkimuksessa ja pienissä yrityksissä.  Avoimen lähdekoodin ohjelmistona se on myös räätälöitävissä eri tarpeisiin.

Elmer perustuu äärellisten elementtien menetelmälle (finite element method, FEM) ja siinä on ratkaisijoita useille sovellusalueille, kuten virtauslaskentaan, rakenteiden mekaniikkaan, sähkömagnetiikkaan, lämmön kulkeutumiseen, akustiikkaan ja jäätikkömallinnukseen. Käytännössä Elmer ratkaisee numeerisesti osittaisdifferentiaaliyhtälöitä.

”Elmerillä on pitkä historia, joten olemme ehtineet tuottaa ratkaisijoita useille sovellusalueille.  Monipuolisuudessa Elmer on mallinnusohjelmistojen kärkipäässä. Elmerissä on valmiit ja hyvin dokumentoidut ratkaisijat”, kertoo Peter Råback, Elmerin kehitystiimin vetäjä.

Osa Elmerin monipuolisuutta on se, että Elmer on saatavilla useille eri alustoille, läppäreistä supertietokoneisiin. Elmerin käyttäjämäärää on vaikea arvioida tarkasti.

Elmerin Windows-versiota ladataan nic.funet.fi-palvelusta noin 40 000 kertaa vuodessa. Linux-versioilla on useita jakelukanavia, joten määrää on vaikea tietää tarkasti. Råback arvioi, ettei Linux-käyttäjiä ole ainakaan enempää kuin Windows-käyttäjiä, mutta he ovat usein tehokäyttäjiä. Elmer-ohjelmistoa voi käyttää myös CSC:n supertietokoneilla. Supertietokoneilla Elmer käyttää CPU-noodeja.

”Pitkään Elmerin kehittämisessä oli tilanne, ettei meidän tarvinnut miettiä arkkitehtuuria. Elmer on lähtökohtaisesti MPI-koodi. Lisäsimme vain uusia piirteitä, miettimättä implementaatiopuolta. GPU-noodien tuleminen lisää haasteita, ei vain meille vaan kaikille. Elementtimenetelmä on lähtökohtaisesti haastava sovittaa GPU:Ile”, Råback kertoo.

Näkyvimmät alat: sähkömagnetiikka ja jäätikkömallinnus

Tällä hetkellä Elmerin näkyvimmät sovellusalat ovat jäätikkömallinnus ja laskennallinen sähkömagnetiikka.

Yksi Elmerin huippuhetkistä oli valinta mukaan sähkömagnetiikan alan huippuyksikköön (the Center of Excellence in High-Speed Electromechanical Energy Conversion Systems, HiECSs) vuonna 2022. Tämä antaa pitkäjänteisen mahdollisuuden ja rahoituksen kehittää Elmeriä.  

Uudessa EU:n Chips Act aloitteeseen liittyvässä Chips JU -projektissa Open Design Environment for European Chips – Analog and Mixed Signal Elmeriä käytetään analogisten piirien sähkö- ja magnettikenttien ratkaisijana. Mukana on yhteensä 25 raskaan sarjan eurooppalaista tutkimuslaitosta ja yritystä. Suomesta mukana Aalto-yliopisto ja kolme yritystä. CSC:n kannalta merkittävää on projektin puitteissa jatkuva yhteistyö IQM:n kanssa.

”Sähkömagnetiikassa yrityskäyttäjien määrä on merkittävä, noin puolet. Yrityskäyttäjillä on tietty fokus, ja jos Elmer sopii yrityksen tarpeisiin, käyttö on yleensä pitkäaikaista. Monilla PK-yrityksillä ei ole varaa hankkia kalliita lisenssejä, jolloin ne hyötyvät avoimesta ohjelmistosta ja ovat valmiita näkemään enemmän vaivaa ohjelmiston opetteluun”, Råback kuvailee.

Elmer/Ice on yksi maailman johtavista jään dynamiikkaa mallintavista ohjelmistoista. Kaikista Elmerin osa-alueista juuri Elmer/Icessä kansainvälinen kontribuutio on suurin. Elmer/Ice on paitsi ohjelmisto, myös globaali tutkijayhteisö. Ohjelmistoa kehitetään aktiivisesti useissa EU-hankkeissa.

”Jäätikkömallinnuksen puolella lähes kaikki käyttäjät ovat akateemisia käyttäjiä. He ovat altruistista maailmanpelastajaporukkaa, joiden kanssa on huippumukava tehdä töitä. He pyrkivät ymmärtämään ilmastonmuutoksen vaikutuksia jäätiköihin. Ylevät tavoitteet tuovat lisää hohtoa tähän työhön”, Råback kertoo.

Elmerin soveltamisessa jäätikkötutkimukseen on kyse myös sattumista ja henkilösuhteista. Itävaltalainen Thomas Zwinger oli mallintanut lumivyöryjä Itävallassa. Vuonna 2001 Zwinger liittyi CSC:hen ja tapasi yhdessä konferenssissa ranskalaisen jäätikkömallintaja Olivier Gagliardinin IGEstä, Grenoblesta. Myöhemmin Gagliardini saapui CSC:lle tutkijavieraaksi ja tästä yhteistyöstä alkoi Elmerin kehittäminen jäätikkömallinnukseen.

“Jäätikkömallinnukseen ei ole tarjolla kaupallisia ohjelmistoja, joten sillä puolella on enemmän käyttäjiä Elmer/Icen tapaisille avoimen lähdekoodin ohjelmistoille, ja ohjelmiston ympärille on syntynyt yhteisö. Elmer/Ice‑käyttäjät ovat käynnistäneet useita yhteisiä kansainvälisiä tutkimushankkeita, ja he järjestävät myös koulutusta Elmer/Icestä”, kertoo Thomas Zwinger, CSC:n vanhempi sovellusasiantuntija.

Koska Elmer/Ice on avoimen lähdekoodin ohjelmisto, sen käyttäjämäärää on vaikea arvioida tarkasti.

“Kehittämisen ytimessä ovat CSC:n viisi Elmer-kehittäjää. Iso‑Britanniassa ja Ranskassa on noin kymmenen aktiivista tutkijaa, jotka kehittävät ja jakavat uusia ominaisuuksia Elmer/Iceen. Kokonaiskäyttäjämäärä on arviolta noin 700, joista noin 30 voidaan luokitella tehokäyttäjiksi”, Zwinger arvioi.

Useita käyttöesimerkkejä

Kvanttilaskenta ei tuo hyötyä elementtimenetelmälle. Elmerin yhteys kvanttiteknologiaan menee toisinpäin: Elmeriä on käytetty kvanttipiirien suunnittelussa. CSC ja IQM laajensivat Elmerin suorituskykyä, jotta se kykenee suorittamaan laskennallisesti haastavia sähkömagneettisia simulaatioita QPU-komponenttien optimoinnissa.

Myös yrityskäytössä Elmerillä on pitkä historia. Piikiteen kasvatus Okmetikin kanssa oli ensimmäinen sovellus säteilylämmön siirrossa ja nyt yhteistyö Outokummun kanssa rakentuu samalle pohjalle. Yhteistyötä tehtiin myös useiden mikrosysteemialan yritysten kanssa, kuten Vaisalan. Elmerin akustiikan mallinnusta on hyödyntänyt muun muassa Nokia muutaman puhelinmallin kohdalla.

Elmer/Icen mallinnuksiin perustuen on julkaistu 236 vertaisarvioitua artikkelia, joista monet ovat olleet lähteinä kansainvälisen ilmastopaneelin (IPCC) raporteissa. Elmer/Icen avulla on mallinnettu mm. jäätikkövirtojen liikettä, arvioitu mannerjäätiköiden sulamisesta aiheutuvaa merenpinnan nousua ja tutkittu äkillisten jäätikkötulvien (jökulhlaups) syntyä.

“Lähitulevaisuudessa merenpinnan nousu johtuu ennen kaikkea katoavista jäätiköistä ja mannerjäätiköistä. Tämän osuuden luotettava määrittäminen on merkittävää, jotta voimme suunnitella lieventäviä toimia. TerraDT-hankkeessa Elmer/Ice sisällytetään ICON digikaksosen osaksi, ja sillä tutkitaan tulevaa merenpinnan nousua.”

“CryosSCOPE-hankkeessa puolestaan tutkimme sulavien jäätiköiden ja ikiroudan vapauttamia metaanipäästöjä Huippuvuorilla. Samassa hankkeessa käytämme Elmer/Iceä tekoälymallin kouluttamiseen, jotta voimme arvioida tulevien jäätikköjärvien purkautumistulvien riskejä Alpeilla”, Thomas Zwinger jatkaa.

Elmer/Iceä on käytetty myös CSC:n ja Posivan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitukseen liittävässä tutkimuksessa. Elmer/Icen avulla toteutettiin ikiroudan ja pohjavesihydrologian yhdistävä kytketty malli, jolla tutkittiin tulevia olosuhteita loppusijoituspaikan lähistöllä Eurajoella.

Kuva: Thomas Zwinger (vasemmalla) ja Peter Råback CSC:ltä. Kuva: Tommi Kutilainen, CSC.

Kirjoittaja:

Tommi Kutilainen

Vanhempi viestinnän asiantuntija

Tommi Kutilainen työskentelee CSC:n viestinnässä, erityisesti tieteen ja tutkimuksen parissa.

tommi.kutilainen(at)csc.fi