我国典型海底的声场传播仿真研究

利用声线理论对水声信道进行了建模仿真设计。对射线跟踪模型进行了一些分析和改进。完成了我国典型斜坡海底地形的声线轨迹、本征声线及传播损失的求解问题,并进行了射线模型的数学建模和计算机数值求解。此外,根据实际应用中的要求,设计了计算声线轨迹、声传播损失及本征声线搜索的软件,并用程序对海上实测数据进行了仿真,得到了令人满意的结果。仿真结果表明,该基于射线模型的软件对水声信道参数预测精度高。具有很强的工程应用价值。     

数值天气预报中谱方法的并行实现

§1.引 言 谱方法是上世纪七十年代发展起来的应用于大规模数值天气预报模式系统的数值方法.近年来谱方法已成为求解偏微分方程的重要数值方法之一[1,2],与经典的网格点方法相比,它具有计算精度高、稳定性好、程序简单而有效的突出特点.谱方法虽然有计算量和存储量均大的缺点,但超级并行计算技术的发展推动了谱方法的进一步发展和应用[3,4].近十年来,谱方法在数值天气预报领域的应用越来越广泛,不仅应用于全球数值天气预报模式而且应用于有限区域数值天气预报模式.     

SOC水声信道模型及其计算方法研究

对水下声波通信环境中的无线传播信道直达与非直达环境进行研究,引入几何参考模型,设计出相关模型。假设在三维水下空间的一个二维竖直横截面上均匀分布着数量无限的散射体,文中推导了水声信号到达角的概率密度函数、时间自相关函数以及多普勒功率谱密度的表达式,并分析了其几项主要参数对信道统计特性的影响。文中根据假设的参考模型提出了SOC(Sum of Cisoids) 水声信道模型,以及所需参数的两种有效计算方法,并对二者的性能进行了比较。该研究拓宽了水下无线信道建模的研究方向,并且很大程度地减少了数值计算开支,降低了模型的设计与仿真的复杂度。     

三维Navier-Stokes方程的差分-谱方法混合法在GPU上的实现与优化

差分-谱方法通常在槽道湍流的直接数值模拟中使用,本文主要研究差分-谱方法在单GPU卡上的实现。由于GPU的硬件发展十分迅速,不同的GPU硬件对双精度计算的支持有所不同,本文首先验证GPU上数值计算的精度,用差分-谱混合法求解标量扩散方程,并将GPU和CPU上获取的数值结果与解析解进行对比,以确定GPU上数值算法实现的精确度。标量扩散方程在Nvidia S2050单GPU卡上求解,获得接近20倍的加速比,三维不可压缩Navier-Stokes方程达到了25倍的加速比。     

基于声波叠加法的基阵声场计算和波束合成

水声换能器基阵的辐射声场计算,特别是辐射波束合成对于水下声系统设计十分重要,一直是水声领域研究的热点问题.现有的方法,如边界积分法不仅计算量很大,而且在特征频率处存在解的不唯一性和奇异性等缺点.而声波叠加法由于积分运算在辐射体内部完成,从而避免了边界积分法的缺点.文中基于声波叠加法建立了水声换能器基阵声辐射计算和波束合成的数学模型,推导出基阵辐射声场的声波叠加法计算公式,以及基阵辐射波束合成时阵元法向振速的求解公式,并给出了求解的两种方法--最小二乘法(LS)和奇异值分解法(SVD).针对安装在硬质半球表面的14元圆弧阵进行了计算机仿真实验以及水池实验,实验结果验证了所建模型的正确性.因此,该模型可用于实际水声系统的设计和性能预估.     

水介质中换能器的声场分布建模及仿真

在水声目标探测的优化中,为精确仿真水声换能器在水中的声场传播分布规律,首先利用多元高斯声束叠加模型,建立水声换能器的表面声压分布模型,然后通过频域有限差分法求解KZK传播方程,得到发射声场在水下分布规律和谐波特性,最后通过MATLAB进行数值仿真,得到各阶次谐波在声轴方向上的径向和轴向的分布情况,结果表明谐波阶次越高,波束越窄,声场能量较集中;各阶次谐波在轴向一定位置附近声压达到最大值,之后由于水介质的吸收效应逐渐衰减.上述研究对开展水下探测、非线性声场成像等具有重要的参考价值.     

Chebyshev谱配置方法求解反应扩散方程组

本文讨论了一种求解二维反应扩散方程组的高精度谱配置方法.考虑边界条件为齐次Neumann边界,在空间上采用Chebyshev谱配置方法离散,得到非线性常微分方程组(ODEs).在时间方向上,采用紧致隐式积分因子方法求解.该方法结合了谱方法和紧致隐式积分因子方法的特点,具有精度高,稳定性好,存储量小以及计算时间快等优点.最后给出数值算例验证了该方法的有效性.     

基于混沌变量的模拟退火优化方法

基于混沌变量,提出一种混沌模拟退火优化方法,给出了初始温度的方法。利用混沌变量对当前点进行扰动,随着搜索的深入逐渐减小扰动的幅度。数值计算结果表明,该方法可以显著提高求解全局优化问题的计算效率。     

基于遗传算法的芯片检测系统位置配准

针对发光二极管芯片检测系统位置配准的特殊性,建立了与之适应的位置配准模型.提出分步计算的方法,进行遗传算法优化,简化常规方法中的非线性求解问题.结果显示,该模型及其解法满足了发光二极管芯片位置配准要求,计算过程较为简便,易于数值求解.所提出的先进行常规求解,由常规解推演出搜索范围,而后进行遗传迭代搜索的方法结构简单、能实时在线检测、非接触及高精度等特点,对于其他图像模型的参数求解也具有很大的意义.     

背包问题的蚂蚁优化算法

针对经典的背包问题,给出一种新的基于蚂蚁优化思想的求解算法。数值试验计算结果表明,该方法是行之有效的,并具有通用性。     

Parallel optimization of three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation based on MPI+OpenMP hybrid programming model

The three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation model exists analytical solution, which provides verification for models like FOR3D propagation model under certain situation. However, the solving process of a three-dimensional complex underwater sound field problem is hindered by intensive computing and long calculation times. In this paper, we exploit a hybrid parallel programing model, such as MPI and OpenMP, to accelerate the computation, design various optimization methods to improve the overall performance, and then carry out the performance and optimization analysis on the Tianhe-2 platform. Experiments show that the optimized implementation of the three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation model achieves a 46.5 speedup compared to the original serial program, thereby illustrating a substantial performance improvement. We also carried out scalability tests and parallel optimization experiments for large-scale practical examples.

     

基于国产众核处理器三维地震声波正演模拟

三维地震声波理论与计算方法是地质勘探研究的基础,通过分析不同介质中声波的传播特性,完成三维地震声波正演模拟。针对三维地震声波有限差分交错网格方程正演过程中存在数值计算大、内存消耗大等实际问题,提出了基于神威·太湖之光超级计算机系统中国产异构众核处理器(申威26010)的三维地震声波正演模拟编程模型,完成了基于处理器间的进程级并行基于计算核心间的线程级并行优化策略。研究了DMA(直接内存读取)通信方式,提出2.5D流水线任务划分、通信与计算的相互掩盖的多角度优化策略。实验结果表明,该策略有效缓解了带宽瓶颈,发挥了处理器强大的计算能力,解决了程序在申威26010异构众核处理器处理有限差分问题时,并行效率过低的问题。在大规模测试下,使用266240个计算核心,程序仍能够保持稳定的计算性能,达到5.5 GFlops的场值更新。     

高精度湍流直接数值模拟程序的异构并行优化分析

在众核处理器应用中,主要难点在于异构并行应用模式和负载均衡的策略,对于计算流体力学,需要针对相关应用设计相应的方案。我们针对湍流直接数值模拟中串行程序含有部分并行度较高的子程序或函数的特点,设计了一种新的并行计算模式,给出了一种异构平台优化方案,并在中科院超级计算系统"元"上进行了测试和分析,对领域内的典型算例进行了性能测试,着重讨论了不同规模下采用offload模式的CPU和MIC异构并行的扩展性能。     

WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究

针对水声传播模型的计算量大,难以满足实时化、精细化水下声传播信息保障需求的难题,基于MPI+OpenMP混合并行编程方法,开展了WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究,实现了水下声场2级混合并行计算。该方法通过节点间消息传递、节点内内存共享的方式,有效克服了MPI并行编程模型通信开销大和OpenMP并行编程环境可扩展性差的缺点,较好地解决了水下声传播快速计算的问题。测试结果表明,该方法能够较好地利用SMP集群节点间和节点内多级并行机制,充分发挥消息传递编程模型和共享内存编程模型各自的优势,大幅降低MPI进程间通信带来的时间开销,有效提升程序的可扩展性和并行效率。     

一种面向异构众核处理器的并行编译框架

异构众核处理器是面向高性能计算领域处理器发展的重要趋势,但其更为复杂的体系结构使得编程难的问题更加突出.针对这一问题,基于开源编译器Open64,提出了一种面向异构众核处理器的并行编译框架,将程序自动转换为异构并行程序.该框架主要包括4个模块：任务划分模块用来识别适合进行加速计算的程序段,实现了嵌套循环的多维并行识别方法;数据布局模块完成数据在主存和SPM之间的布局,实现了数组边界分析和指针范围分析;传输优化模块实现了数据传输合并、传输外提、打包传输、数组转置等多种数据传输优化方法;收益评估模块在构建代价模型的基础上实现了一种动静结合的收益评估方法.并且,基于SW26010处理器,对该编译框架进行了实现,测试结果表明,该编译框架能够实现一些程序以面向异构众核结构的并行变换,且获得较好的加速效果.     

Mapping of option pricing algorithms onto heterogeneous many-core architectures

The rapid development of technologies and applications in recent years poses high demands and challenges for high-performance computing. Because of their competitive performance/price ratio, heterogeneous many-core architectures are widely used in high-performance computing areas. GPU and Xeon Phi are two popular general-purpose many-core accelerators. In this paper, we demonstrate how heterogeneous many-core architectures, powered by multi-core CPUs, CUDA-enabled GPUs and Xeon Phis can be used as an efficient computational platform to accelerate popular option pricing algorithms. In order to make full use of the compute power of this architecture, we have used a hybrid computing model which consists of two types of data parallelism: worker level and device level. The worker level data parallelism uses a distributed computing infrastructure for task distribution, while the device level data parallelism uses both the multi-core CPUs and many-core accelerators for fast option pricing calculation. Experiments show that our implementations achieve good performance and scalability on this architecture and also outperform other state-of-the-art GPU-based solutions for Monte Carlo European/American option pricing and BSDE European option pricing.     

基于申威众核处理器的圣维南求解程序的并行与优化

圣维南方程组可用于描述明渠非恒定流的汇流过程,在大规模水文模拟软件中,求该方程组的数值解是制约程序运行时间的最大瓶颈。 通过分析串行程序结构及其计算热点,挖掘计算密集型程序中单步模拟循环计算段和指令排列等的可并行性,针对“神威·太湖之光”超级计算机的异构众核架构设计主从核异步并行方案,基于MPI和athread库对求解程序进行移植、并行和加速,采用SIMD技术将从核计算段向量化,使用双缓冲等策略对通信瓶颈进行优化。测试表明,计算热点函数的性能较优化前平均可提高3倍以上,在百万控制单元规模内,众核级优化后的并行程序加速比可保持近线性增长,在神威多结点上具有很好的可扩展性。     

一种加速访存地址计算的编译优化

在国产申威高性能多核服务器系统中,基础编译系统对应用程序中访存操作进行代码生成时,没有考虑国产处理器指令特征,导致编译器生成的访存地址计算代码效率较低,影响国产高性能处理器的性能。为充分发挥国产处理器高性能计算能力,提出一种加速访存地址计算的编译优化方法。加速访存地址计算编译优化基于处理器支持带扩展因子的运算指令,在编译器后端内存地址表达式合法性检查中,添加针对乘加模式的地址计算表达式合法性检查算法,自动识别地址表达式中存在的乘加运算并进行合法性检验,对符合条件的地址表达式在代码生成阶段匹配生成带扩展因子的运算指令来快速计算访存地址,从而加快访存指令的发射与执行以及应用程序中的访存地址生成,提升访存效率。使用行业标准性能测试集SPEC CPU2006对优化效果进行评测,结果表明,相比优化前SPECspeed Integer与SPECspeed Float Point两个子集,该优化方法平均性能分别提高了2.53%与1.50%。     

水声环境特征参数并行预报方法研究

随着水声装备的快速发展,其性能发挥与海洋环境的耦合越来越紧密,如何为水声传感器提供长时间、大范围、精细化水声环境参数信息,对优化水声传感器设计,充分发挥其探测性能,实现海洋环境与传感器性能发挥的最佳匹配具有重要意义。利用MPI并行编程环境开发了水声环境特征参数并行预报程序,实现了水声环境特征参数的快速预报,针对并行程序存在的任务负载不均衡问题,分析了造成负载分配不均衡的原因,给出了性能优化的策略和方法。测试结果表明,优化后的并行程序,负载均衡问题得到了有效改善,计算时间大幅缩短,大大提升了水声环境参数预报能力。     

面向水下声场计算的PC集群构建

水下声场计算复杂,计算量大,目前的模型难以满足在水下战场环境仿真中对声场的实时性的要求.计算机技术的发展,特别是高性能集群的出现,为解决此问题提供了一种可行的方法.文中首先介绍了如何将单PC机通过以太网连接起来,构建实验环境下的用于水下声场计算的PC集群,然后给出了在此系统上运行水平不变声道中WKBZ简正波并行计算方法及FOR3D模型的并行方法的结果.实验结果表明,此系统能够可以为水下声场计算提供一个很好的并行环境,集群系统在水下声场及其相关领域必将有很大的应用空间.