GPU加速MOC输运计算性能分析研究

特征线方法(MOC)在求解堆芯规模中子输运方程时面临计算时间长的问题,加速和并行算法是目前研究的热点。基于MOC在特征线和能群层面的并行特性,采用统一计算设备构架(CUDA)编程规范,实现了基于图形处理器(GPU)的并行二维MOC算法。测试了菱形差分和步特征线法分别在双精度、混合精度及单精度浮点运算下的计算精度、效率及GPU加速效果。采用性能分析工具对GPU程序性能进行了分析,识别了程序性能瓶颈。结果表明:菱形差分和步特征线法在不同浮点运算精度下均表现出良好的计算精度;相比于CPU单线程计算,GPU加速效果在双精度和单精度情况下分别达到35倍和100倍以上。     

基于GPU并行的二维时空中子动力学MOC程序开发及验证

目前特征线方法（MOC）被广泛应用于反应堆精细中子输运计算。为提高基于MOC方法的时空中子动力学输运计算效率,本文开发了ALPHA程序的动力学计算模块,实现了基于GPU并行的二维精细动力学输运计算。同时,实现了基于GPU并行的CMFD加速计算,并对TWIGL基准题和MINI-CORE基准题进行验证。数值结果显示,基于GPU并行的中子动力学计算方法能保证良好的计算精度,且具有明显的加速效果。     

基于CPU-GPU异构并行的MOC中子输运计算并行效率优化研究

CPU-GPU异构系统为加速全堆芯特征线方法（MOC）精细计算提供了方法和思路。在实现基于CPU-GPU异构系统的二维MOC异构并行算法基础上，提出了性能分析模型，识别了影响异构并行算法并行效率的主要因素；针对识别到的性能影响因素，实现了输运计算与数据传递相互掩盖，提升了异构并行算法的整体并行效率。数值结果表明：程序具备良好的计算精度；数据传递（MPI通信和CPU与GPU之间的数据拷贝）是影响异构并行算法并行效率的主要因素；实现输运计算与数据传递相互掩盖后，程序性能和强并行效率均有所提升；5异构节点（包含20块GPU）并行时，程序整体效率提升达8%，强并行效率从87%提升到95%；相比CPU节点并行计算，4个CPU-GPU异构节点整体性能优于20个CPU节点。     

CPU-GPU协同计算在MOC中子输运异构并行计算中的应用研究

特征线方法（MOC）可以精确求解任意几何的中子输运方程，但该方法收敛慢、计算时间长。本研究基于空间区域分解和特征线并行技术，采用MPI+OpenMP/CUDA编程模型，实现了适用于中央处理器-图形处理器（CPU-GPU）异构系统的二维MOC异构并行算法。为充分利用异构系统中的CPU和GPU计算资源，实现CPU-GPU协同计算，提出动态任务分配模型，根据CPU和GPU的计算能力合理分配计算任务。数值验证结果表明:程序具有良好的计算精度；动态任务分配模型能根据硬件性能给出最佳任务分配方案；5异构节点（包含20块GPU）并行时，相对MPI+CUDA并行模式，采用CPU-GPU协同计算后，程序整体效率提升达到14%。      

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

基于CPU-GPU异构并行的MOC中子输运计算并行效率优化研究

CPU-GPU异构系统为加速全堆芯特征线方法(MOC)精细计算提供了方法和思路。在实现基于CPU-GPU异构系统的二维MOC异构并行算法基础上,提出了性能分析模型,识别了影响异构并行算法并行效率的主要因素;针对识别到的性能影响因素,实现了输运计算与数据传递相互掩盖,提升了异构并行算法的整体并行效率。数值结果表明:程序具备良好的计算精度;数据传递(MPI通信和CPU与GPU之间的数据拷贝)是影响异构并行算法并行效率的主要因素;实现输运计算与数据传递相互掩盖后,程序性能和强并行效率均有所提升;5异构节点(包含20块GPU)并行时,程序整体效率提升达8%,强并行效率从87%提升到95%;相比CPU节点并行计算,4个CPU-GPU异构节点整体性能优于20个CPU节点。     

多区域耦合PGMRES算法用于加速区域分解并行矩阵MOC方法

研究了空间区域分解并行矩阵特征线方法(MOC)及相应的多区域耦合并行广义极小残差法(PGMRES)加速算法。该算法基于PETSc并行数值库,直接耦合求解内边界角通量,可大幅提高收敛效率。数值验证结果表明,多区域耦合PGMRES算法具有较高的计算精度和良好的加速效果。     

基于CAD技术的特征线中子输运计算程序开发

特征线方法(Method of Characteristics,MOC)能否应用于复杂几何关键在于能否将特征线方法与有效的几何处理方法结合起来。本文在菱形差分特征线理论基础上,基于FDS团队自主研发的核与辐射输运计算自动建模软件MCAM的几何处理引擎,研发了基于CAD技术的特征线中子输运计算程序,并利用相关基准例题对程序进行了数值验证,其结果与参考值吻合良好,表明本文方法和程序的可行性、正确性与可靠性。     

基于DRAGON程序的二维/一维耦合堆芯输运计算程序开发

DRAGON程序能够进行三维特征线法(MOC)计算,但需大量的计算时间与内存,虽在其中引入大量近似并应用多种加速算法,仍无法满足工程应用的需求。基于DRAGON程序中现有的二维MOC计算模块,开发二维MOC与一维节块展开法(NEM)耦合的堆芯输运计算程序DRAGON_HEU,在三维粗网有限差分(CMFD)加速算法的全局框架下通过轴向和径向泄漏项将二维全堆非均匀栅元MOC计算与轴向均匀栅元扩散计算耦合,实现三维堆芯Pin-by-Pin计算。运用C5G7-3D三维扩展基准题验证DRAGON_HEU,计算结果表明:DRAGON_HEU能够节约大量计算时间且具有很高的计算精度。     

SONG—输运计算模块程序开发

多功能栅格计算程序SONG采用特征线方法(MOC)及粗网有限差分(CMFD)加速方法进行中子输运计算,具备在数据库能群结构下全组件精细几何计算能力。同时具有与MOC相适应的几何预处理模块,采用基于组件的模块化射线追踪,可处理方形、六角形组件及棒状、板状燃料元件。通过模块化的流程与数据结构设计,开发形成了几何无关的MOC输运求解模块,同时形成了可扩展的组件几何预处理模块。不同形状组件的几何处理模块与输运求解模块具有统一的数据接口。通过相关问题的计算表明,SONG程序具备多几何组件处理能力,同时输运计算结果具有较好的精度、效率及稳定性。     

线性源近似的中子输运方程特征线解法

基于非结构网格的中子输运方程特征线解法已成为堆芯设计程序中组件输运计算的标准方法之一。但现有的大部分特征线法程序均是基于平源近似的步特征线法模型开发的,平源近似是特征线法中除角度变量直接离散外又一基本假定。本工作提出一种基于线性源近似的中子输运方程特征线解法,并提出相关负中子源分布的修正方法。采用自行研制的数值计算软件PEACH,对OECD/NEAC5G7-MOX2D基准问题和自定义沸水堆小堆芯问题进行检验。数值计算结果表明,本工作提出的线性源近似特征线法模型在相同计算精度的前提下,占用更少的系统内存和运行时间。     

Development and verification of an MOC code employing assembly modular ray tracing and efficient acceleration techniques

In this paper, we report the development and verification of a method of characteristics (MOC) code, PEACH, at Shanghai Jiao Tong University. Both the usual flat-source step characteristics (SC) scheme and the linear source (LS) approximation scheme are adopted for the tracking calculation along the neutron trajectory. The assembly-based modular ray tracing (AMRT) technique that possesses a good geometric flexibility and high efficiency is employed, which makes PEACH able to deal with practical LWR assembly and core problems. Moreover, in order to reduce the computational time of the MOC iteration process, both the multi/few-group two-level cell-based coarse mesh finite difference (CMFD) acceleration and the exponential function interpolation technique are used. This results in a significant acceleration. Numerical results for the OECD NEA C5G7 MOX benchmark problem and a 69-group BWR mini-core problem demonstrate that PEACH is accurate and efficient. Numerical results also demonstrate that the LS scheme is more efficient than the SC scheme, taking less time and system memory to generate results of comparable accuracy. In addition, we find that MOC with CMFD acceleration always converges with almost the same number of outer iterations regardless of the physical problem size and the discretization parameters used. This shows an ideal linear relationship between the run time and the geometric size of the problem.     

基于OpenMP的中子输运方程特征线法并行计算研究

特征线法是目前求解反应堆中子输运方程的主要计算方法之一。本文开发了基于OpenMP的中子输运方程特征线法并行计算程序,以提高特征线法的计算效率。OpenMP是共享存储体系结构上的一个并行编程模型,采用Fork-Join并行执行方式,适合于SMP共享内存多处理系统和多核处理器体系结构。通过相关基准题测试验证,表明所开发的程序在有效增殖因数以及相对中子通量(归一化栅元功率)分布等参数上都能取得良好的精度,且使用OpenMP能取得良好的加速效果,使计算时间显著减少。     

Reduction of the Spatial Discretization Error in the Method of Characteristics using the Diamond-difference Scheme

In this paper, the diamond-difference (DD) scheme, which is commonly used in discrete-ordinate codes, is applied to the method of characteristics (MOC) to reduce the spatial discretization error of the flat flux approximation. Smaller spatial discretization error allows coarser background mesh division, which leads to smaller computational burden. Some theoretical considerations on the DD scheme are discussed to clarify the strength of this method. An absorption cross section weighted DD scheme (AWDD), which utilizes macroscopic absorption cross section to set the weight, is also discussed. The DD and AWDD schemes are implemented to AEGIS, which is a lattice physics code based on MOC. Then the AEGIS code is applied to two different benchmark problems whose spatial discretization errors are large. The calculation results indicate that from the viewpoint of spatial discretization error, the AWDD scheme is superior to the conventional MOC in which the step characteristics approximation is commonly used. Since incorporation of the AWDD scheme to current MOC codes is very simple, it will be a good candidate of spatial discretization method for MOC codes.     

波形板干燥器内液滴模拟的GPU加速研究

基于CUDA C,使用GPU模拟了波形板内大量液滴的二维运动。根据GPU硬件特性,优化了模拟算法。在CPU上实现相同算法,对比了单一液滴直径、不同液滴数量下GPU与CPU的计算时间。结果表明:液滴数量越大,GPU并行加速效果越明显,在液滴数量较大时,得到约60倍的加速。用GPU分析了典型液滴直径分布的情况,得到约30倍的加速。     

基于CUDA的大型γ辐照装置通用并行排源算法

本文利用CUDA执行模型实现了植物模拟生长算法的完全并行化,结合标准排源质量评价数学模型,得到了一种高效率的并行排源算法,对应的代码能运行在GPU上。在此基础上,利用若干不同规模的排源算例对新版本算法进行了测试。测试结果表明,在保持已有版本算法优点的基础上,新算法的计算效率相对CPU版本提升了500倍以上,相对CPU+GPU混合版本,也提升了30倍以上。对111 PBq以下装置,新算法的计算时间小于10 min。利用单GTX275 GPU,新算法的计算性能上限为167 PBq左右,时间不超过25 min,利用多GPU还可提高计算能力。综上所述,基于GPU的新版本算法可满足目前国内任意规模γ辐照装置的高质量排源需要,具有高度的竞争力。