全球(z)双三次数值模式并行算法设计与实现

针对双三次数值天气预报模式进行了并行算法研究。采用一维区域分解算法,借鉴块棋盘划分矩阵转置算法,设计和实现了数据转置通信算法,并采取计算与通信重叠技术减小通信时间对并行效率的影响,最终实现了双三次数值天气预报模式的并行算法,并在机群系统上进行了并行性能测试评估。结果表明,实现的双三次数值预报模式并行算法的并行效率较高,设计实现的数据转置通信算法、计算与通信重叠技术取得了较好的效果。     

基于PHG平台的非结构四面体网格欧拉方程间断有限元并行求解器

针对计算流体力学对高性能计算的需求,基于三维并行自适应有限元程序开发平台PHG (Par-allel Hierarchical Grid)开发了在非结构四面体网格上求解可压缩流欧拉方程的间断有限元法并行求解器(Libdgphg库).该求解器以C++函数库的形式实现数值方法中各项功能.实施了模态基一次间断有限元,采用低耗...     

三维并行约束Delaunay网格生成算法及实现

针对二维并行约束Delaunay网格生成算法直接应用于三维条件下会导致人工边界产生过短边的问题,提出并实现了基于主从模式的三维并行约束Delaunay网格生成算法.首先对求解区域进行分解,通过交换人工边界面上的数据解决子区域间网格一致性问题;其次为每个人工边界面选定主从子区域,由主子区域产生边界面网格并发送,从子区域负责接收;最后采用贪心算法平衡各个子区域的通信负载,得到算法效率的提升.实验结果表明,该算法可以大规模并行生成边界一致四面体网格,具有较好的并行效率,并能够保证最终的网格质量.     

一种求解线性方程组的SOR并行算法

逐次松弛迭代算法(SOR)是求解线性方程组的一种常用迭代算法,当系数矩阵正定时,它具有较快的收敛速度。但是,由于每个迭代步内存在数据相关,它难以实现并行计算。目前的SOR并行算法采用数据分解的方法,但由于该法并行区域过小,同步通讯代价大,并行效率低。本文提出了SOR的一种新型并行算法,该算法与传统SOR方法等价,具有相同的收敛性和迭代结果。该并行算法通过矩阵分块增大了可并行计算的区域,并引入流水线技术,利用各处理器间通讯与计算时间的重叠,获得较理想的并行加速效率。通过多核微机以及小规模集群上的数值实验证明,本文提出的SOR并行算法在求解大型稠密线性方程组时具有较好的并行效率。     

多物理数值模拟中一种有效的并行耦合方法

在实现多物理并行数值耦合模拟中,需要处理多个物理过程之间网格、并行区域分解的差异.针对该同题,该文基于三维流体力学与激光传播耦合的并行数值模拟,提出了一种实用的并行耦合方法:引入辅助状态将本地插值与通信相分离;构建并行耦合图并定义主导属性,以确定过程间传输的最小数据集合;提供并行数据重分配算法来完成通信.并行数值结果表明:该方法是有效的,在64台处理机上使整体程序获得50.07的加速比.     

并行演化算法在MEMS继电器参数优化中的应用

使用演化算法求解MEMS继电器参数优化主要瓶颈在于算法运行时间过长,而算法运行时间过长主要由于电磁仿真软件进行建模和分析需要耗费大量的计算时间。针对该问题,采用主从并行模式,对演化算法个体适应值计算阶段并行化处理。在充分考虑计算机资源的使用效率与负载均衡等因素下,使服务器尽量少地参与任务计算及减少与客户机的通信以增强并行模式的分布能力,并且增加了客户端掉线处理,任务重分配等操作以增强并行模式的容错能力。经过测试,该并行演化算法在MEMS微波继电器参数优化上加速比接近线速,具有良好的并行效率且容错性较高。     

多重网格格子Boltzmann方法的并行算法

针对复杂流动数值模拟中的格子Boltzmann方法存在计算网格量大、收敛速度慢的缺点,提出了基于三维几何边界的多重笛卡儿网格并行生成算法,并基于该网格生成方法提出了多重网格并行格子Boltzmann方法（LBM）。该方法结合不同尺度网格间的耦合计算,有效减少了计算网格量,提高了收敛速度;而且测试结果也表明该并行算法具有良好的可扩展性。     

MPI并行调试与优化策略在三维绕流气体运动 论数值模拟中的应用

从求解三维绕流问题的Boltzmann模型方程的数值模拟程序出发,通过研究区域分解并行计算策略,引入输入/输出、通信与CACHE等优化策略,对数值模拟程序进行MPI并行化移植与高性能计算调试。以高空稀薄过渡流区飞行器绕流状态为算例,进行了MPI大规模并行计算测试,证实了所发展的MPI并行化区域分解策略及程序优化途径的正确性。研究表明开展的并行化实现能明显地缩短模式计算时间,并取得较好的效果。     

一种改进的求解输运方程的并行Sn扫描算法

非结构网格上求解粒子输运方程的可扩展并行算法是一个亟待解决的课题。本文在文献[1]并行流水线勖扫描算法的基础上提出了一种改进算法。改进后的算法可以有效降低原算法对并行机通信延迟的依赖,减少程序运行的通信时间,达到了缩短并行计算时间和提高并行性能的目的。针对二维粒子输运问题进行的数值实验表明,从64扩展到256个处理机时,加速比呈线性增长,改进算法比原算法的并行计算时间最大减少了19％。     

基于MPI的二维稳态温度场的并行计算

作为颗粒离散元软件并行化的前期研究,对二维稳态导热问题的有限差分法求解程序进行了并行化处理.并行算法将计算域划分为若干个子域,并将各子域上的迭代计算任务分配给相应的处理器执行.同时,算法考虑负载平衡,并采用计算和通信的重叠技术,提高并行算法的效率.通过对二维稳态温度场导热问题的串/并行程序在曙光TC2600刀片服务器上的计算结果进行比较分析,验证了该并行方法的有效性.实验结果表明,计算耗时与通信耗时的比值越大,并行效率越高.     

一种基于SMP的并行逐次超松弛迭代法

逐次超松弛迭代方法被广泛应用于油藏数值模拟中压力方程的求解.其并行实现是提高模拟速度的重要途径.传统并行方案大都只是在一次迭代内进行数据划分,而没有进一步将数据划分与迭代空间划分相结合,故针对SOR算法和SMP（symmetric multi-processors）系统的特点,以OpenMP为并行化实现工具,提出了基于SMP的并行逐次超松弛迭代方法（parallelSOR）.方法通过改变不同迭代步内数据点的更新次序,使不同区域内的数据点可以并行执行多次迭代.总结出针对三维油藏区域在数据空间划分和迭代空间合并上相对较优的策略,分析了迭代过程中网格块的生长形状.与传统的并行策略相比,该方法具有可减小同步开销、改进数据局部性、cache命中率高等优点.实验结果表明,该方法具有较高的加速比和效率.     

Testing Moderately Parallel Environments for an Ocean Modeling Application

Due to the high costs of accessing massively parallel and vector environments, as well as the overworking of high-performance computers, there is now a need for a different approach to parallel computing. The feasibility of ocean modeling in a moderately parallel environment is tested using a 2-D (vertically-integrated) ocean circulation model. The parallel algorithm is based on the Glenda message-passing software and follows the master-worker paradigm. It is evaluated on both internal and external communication environments. The numerical experiments show that the internal communication environment is only slightly more efficient than the external communication environment. This is due to a combination of shared memory problems in the internal communication environment and to inefficiencies in the message-passing software. The tests also demonstrate how efficiency depends on the domain sub-divisions. Most importantly, they show that both environments effectively outperform their sequential counterparts, reducing the program elapsed time, and offering quicker access to the model outputs. The parallel version provided a time-saving alternative to the sequential version of the same model on both internal and external communication platforms. This research supports the conclusion that both environments are a viable alternative to single-CPU machines and that moderately parallel environments are feasible computer platforms for ocean modeling applications.     

海洋环流数值模式POP的GPU并行优化

POP是一种全球海洋环流模式,广泛应用于海洋研究和气候预测。但是,随着模式分辨率的提高,POP对计算能力的需求呈几何级数增长,从而限制了POP模式的发展。本文在分析POP原理和特征的基础上,采用CUDA Fortran编程模型将POP模式移植到GPU平台上,并采用了网格块间并行和网格块内并行相结合的多层次并行实现全局存储器合并访问,减少局部存储器的使用,利用寄存器提高数据重用度和增大GPU端代码以减少CPU与GPU间的通信等优化策略。实验结果表明,与运行在Intel Xeon X56756核处理器上的串行程序和6进程并行程序相比,GPUPOP可以分别获得8.47倍和1.5倍的加速效果。     

非结构网格粒子输运Sn并行算法

本文基于网格区域剖分,提出了一种新的非结构网格粒子输运Sn并行算法,实现了多个角方向和多个能群的同时计算,在计算的过程中不用进行优先级计算和优先级队列维护,只需要按照计算队列的次序组织并行计算。综合考虑所有方向和所有网格点的数据依赖关系,结合B-level优先级,提出了一种优先级计算方法,优先计算需要数据发送的任务,延迟需要接收数据的任务,达到减少处理器等待时间和计算与通信重叠的目的。使用本文的Sn并行算法和优先级队列针对二维粒子输运问题进行的数值实验表明,并行算法具有良好的并行计算加速效果,扩展到1 024个处理机时,相对64个处理机的并行效率达到52%。     

谱方法求解水声传播问题的优化与并行

水声传播数值计算的效率是各类水声学应用关心的核心因素之一,谱方法作为求解微分方程的一种数值方法,具有精度高、收敛速度快等优点,因此,近年来利用简正波-谱方法求解水声传播方程引起了许多学者的关注;然而,谱方法计算量更大,计算时间更长,在求解大范围海域声传播问题时,难以满足实时性的需求.因此,需要借助现代高性能计算机系统,...     

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。     

Parallel multilevel methods with adaptivity on unstructured grids

We present two parallel multilevel methods for solving large-scale discretized partial differential equations on unstructured 2D/3D grids. The presented methods combine three powerful numerical algorithms: overlapping domain decomposition, multigrid method and adaptivity. As the foundation of the methods we propose an algorithm for generating and partitioning a hierarchy of adaptively refined unstructured grids, so that adaptivity can be incorporated up to a certain grid level. We ensure that the resulting subgrid hierarchies are well balanced and no inter-processor communication is needed across different grid levels, thus obtaining high parallel efficiency. Numerical experiments show that the parallel multilevel methods offer almost equally fast convergence as their sequential multigrid counterpart. And the resulting implementation has reasonably good scalability. Received: 4 December 1998 / Accepted: 12 January 2000     

IDL并行计算技术在SAR风场反演中应用

SAR影像反演海面风场需要对反演模型进行迭代求解,难以满足近实时预报的需求。利用IDL并行计算技术在多核计算机实现SAR风场反演。基于IDL程序设计特点,分析IDL桥并行计算程序设计方法,根据SAR风场反演流程,提出基于IDL桥对象构建的风场反演并行计算算法,验证了其实用性。结果表明,基于IDL桥对象构建的并行计算算法提高了计算效率,为其他数据快速处理提供了解决方案。     

Matlab的图形处理器并行计算及其在拓扑优化中的应用

针对传统并行计算方法实现结构拓扑优化快速计算的硬件成本高、程序开发效率低的问题,提出了一种基于Matlab和图形处理器(GPU)的双向渐进结构优化(BESO)方法的全流程并行计算策略。首先,探讨了Matlab编程环境中实现GPU并行计算的三种途径的优缺点和适用范围;其次,分别采用内置函数直接并行的方式实现了拓扑优化算法中向量和稠密矩阵的并行化计算,采用MEX函数调用CUSOLVER库的形式实现了稀疏格式有限元方程组的快速求解,采用并行线程执行(PTX)代码的方式实现了拓扑优化中单元敏度分析等优化决策的并行化计算。数值算例表明,基于Matlab直接开发GPU并行计算程序不仅编程效率高,而且还可以避免不同编程语言间的计算精度差异,最终使GPU并行程序可以在保持计算结果不变的前提下取得可观的加速比。