高效率FDTD 网络并行计算研究

目前,时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain,FDTD）在电磁数值计算中已获得了广泛应用。对许多复杂电磁问题,FDTD 算法需要耗费巨大的计算机计算时间和存储空间,这成为FDTD 方法亟待解决的难题。本文提出了应用基于消息传递(Message Passing)方式实现FDTD 的并行算法。并对基于MPI 不同通信方式的并行FDTD 进行了效 率比较。采用MPI2.0 单边通信方式中的put 操作和主动对象同步(PSCW)方式,在一套16 个节点的Beowulf 型网络并行计算机系统上,实现了三维FDTD 并行程序,获得了较高的加速比和并行效率。     

用MPI实现FDTD网络并行电磁散射运算

提出了在由微机互连构成的机群(COW)并行计算系统上应用基于消息传递(M essage Passing)的方式实现二维FDTD并行算法。通过区域分割,各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行场值的数据传递,从而实现FDTD并行计算。文中还仔细分析了与FDTD相关的外围边界的并行化处理。文中以二维金属方柱算例验证了算法的正确性和有效性,并将本文实现的加速比以及并行效率与其它文献进行了比较,从而为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一条有效途径。     

基于MATLAB交互式软件包实现对FDTD算法的改进

矩阵和数组是MATLAB的核心,本文基于MATLAB交互式软件包的这一特点．实现了对FDTD算法(时域有限差分法)的改进。在时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain)FDTD方法中,利用MATLAB交互式软件对TM波辐射场的等值线分布计算,实现了动态计算的可视化。为利用MATLAB交互式软件求解整个空域中随时间变化的电、磁场值的解提供了一种方法,取得了良好的理论和试验效果。     

基于GPU的并行FDTD方法在二维粗糙面散射中的应用

利用显卡(Graphics Processing Unit, GPU)加速时域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法计算二维粗糙面的双站散射系数, 介绍了FDTD的理论公式以及计算模型.采用各向异性完全匹配层(Uniaxial Perfectly Matched Layer, UPML)截断FDTD计算区域.重点讨论了基于GPU的并行FDTD计算粗糙面双站散射系数的并行设计方案计算流程.在NVIDIA GeForce GTX 570显卡上获得了50.7×的加速比.结果表明:通过对FDTD计算粗糙面散射问题的加速, 极大地提高了计算效率.     

FDTD算法的FPGA实现

FDTD是电磁波数值仿真的重要方法,应用中的主要问题是对于大尺寸仿真,计算量太大。为了提高计算速度,采用FPGA来实现FDTD算法,通过设计专门的硬件计算电路,来提高计算速度。在设计中采用了流水线技术、并行计算等方法加速措施,并采用双口RAM存储数据,极大地减少了数据读取时间。综合以上方法可以使算法的运算速度得到明显的提升。     

MPI下三维FDTD并行运算的分析与实现

基于Message-Passing Interface(MPI)的编程环境,以PML(Perfectly Matched Layer)为吸收边界条件,讨论了时域有限差分法FDTD的三维并行运算情况。通过一定的数值计算,定量地给出了MPI下FDTD并行算法中的网格数、进程数、分割方式三者之间的关系以及对计算效率的影响。     

MPI在并行时域有限差分法中的应用研究

随着高性能计算技术的发展，并行计算已成为研究科学与工程技术问题的一种手段。删则是国际上最广泛使用的一种并行编程环境。电磁场数值计算方法作为一种优秀的电磁场数值计算方法，在计算大型问题时虽然占用资源多、花费时间长，但其拥有可并行化的特点。本文采用删实现了时域有限差分法的并行运算。通过实验验证了方法的可行性和高效性。     

基于OpenMP的电磁场FDTD多核并行程序设计

探讨了基于OpenMP的电磁场FDTD多核并行程序设计的方法,以期实现该方法在更复杂的算法中应用具有更理想的性能提升。针对一个一维电磁场FDTD算法问题,对其计算方法与过程做了简单描述。在Fortran语言环境中,采用OpenMP＋~粒度并行的方式实现了并行化,即只对循环部分进行并行计算,并将该并行方法在一个三维瞬态场电偶极子辐射FDTD程序中进行了验证。该并行算法取得了较其他并行FDTD算法更快的加速比和更高的效率。结果表明基于OpenMP的电磁场FDTD并行算法具有非常好的加速比和效率。     

一种新的简化行波边界条件在FDTD算法中的实现

本文提出一种新的边界条件。这种边界条件在边界处强加理想导体对计算场区进行截断,而将由此产生的反射场分离去除,从而减小反射所产生的干扰。与PML边界条件相比,由于它不需要吸收层,不需要PML层中人为的场量分解,因此节约了内存,提高了计算速度。文中给出一维、二维空间的计算实例,计算结果表明原理是可行的。     

FDTD并行算法实现及其数据通信优化

应用计算机局域网,采用基于消息传递（MPI）方式和区域分割技术,实现了FDTD的并行计算。以无限长线电流源在自由空间辐射为算例,对并行FDTD算法进行了验证。结果表明并行算法和串行算法计算结果一致,并有效提高了计算效率。最后通过减少通信数据量、优化数据交换方式及通信和计算重叠的方法,使并行算法的数据通信得到优化,并行计算效率明显提高。     

PC集群系统中MPI并行FDTD性能研究

本文在MPI编程环境下研究了不同虚拟拓扑结构方式的3维并行时域有限差分算法(FDTD).将程序运行于本文组建的高性能PC集群系统中,计算分析了一种新型光子带隙微带传输线结构的S参数特性,并以此为研究实例,深入地比较了不同MPI虚拟拓扑方式对PC集群系统中并行FDTD性能的影响,在此研究的基础上给出了PC集群中MPI编程环境下并行FDTD的最佳虚拟拓扑方式.     

汽车天线并行Matlab模拟算法研究与实现

针对Matlab软件的网络通信局限,提出一种新的基于磁盘-内存互逆映射的解决方法,该方法在简化并行FDTD算法实现的同时,显著提高了算法执行性能.作为算法实现的应用,对一种常见的车载隐藏式印刷天线进行了数值仿真研究,其结果证明了方法的可行性与精确性.     

并行共形FDTD算法及其在PBG结构仿真中的应用

本文研究了MPI信息传递接口支持下的3维并行共形网格FDTD算法,并利用典型PC集群的硬件环境进行了具体的实例测试.采用该方法对一种一维圆形光子带隙微带滤波结构的S参数进行了计算,数值结果表明了本文方法的正确性与有效性.     

FDTD并行算法研究:电和磁本构参数均为各向异性情形

研究并实现了三维电与磁本构参数均为各向异性介质时的时域有限差分(ANI-FDTD)并行算法.根据电磁各向异性介质时域有限差分(ANI-FDTD)迭代式,电场和磁场某一节点场值的计算均涉及到其周围邻近28个场分量节点值.详细分析了该情况下各向异性介质时域有限差分(ANI-FDTD)并行算法中的数据通讯规律.通过采用相邻子域重叠半个网格的区域划分方式,传递分界面两边相关节点的场值,实现了局域网内各节点机的协同并行计算.数值计算结果表明了该算法和程序的正确性.     

基于OpenMP的电磁场FDTD并行程序性能分析

OpenMP是共享内存并行程序设计的工业标准,它通过一些编译指导语句能方便地将程序并行化,特别适合于在多线程的计算机上使用。针对一个采用电磁场FDTD算法的二维波导问题,首先对其计算方法和计算过程进行简单描述,其次讨论了几个影响其并行程序执行效率的几个因素。结果表明,采取不同的并行方式,设定不同的调度策略,设置并行区线程数的大小均会影响并行程序的性能。因此,在使用OpenMP编写电磁场并行程序时,需要综合考虑各种因素的影响才能设计出高效的程序。     

三维电磁散射的网络并行FDTD计算和加速比分析

应用计算机局域网,采用基于消息传递PVM平台和区域分解技术,实现了三维电磁散射的并行FDTD计算.给出了在FDTD两个相邻子区域交界面上所需要传递数据量的估算和分析.在一个实际的计算机局域网环境下,测试了网络并行FDTD计算三维机翼目标散射时的并行加速比和并行效率.实际上,并行加速比和效率不仅与局域网的硬件性能有关,而且与子区域的划分和PVM通信原语的使用等软件设计有关.最后,讨论并行计算中的附加通信量、网络通信性能和负载平衡对FDTD并行计算的影响.