航天领域高性能并行计算研究进展

航天领域的大规模科学与工程问题的数值模拟既依赖于高性能并行计算的支撑,同时也是高性能并行计算发展的动力。综述了航天领域高性能并行计算的研究进展,对高性能并行计算环境进行简单介绍,对相关研究领域包括气动力、气动热、化学非平衡、结构强度、热防护、蒙特卡罗方法和湍流研究等进行分类和详细阐述;总结了航天领域高性能并行计算存在科学计算高并行效率和工程计算低实用价值、并行应用的多样性和缺少科学的并行方法的矛盾,并指出了进一步研究方向。     

高性能并行计算的发展历程

并行计算是相对于串行计算而言的，它是将一个计算任务分解成若干相对独立的子任务，然后用若干个处理器对其并行求解。使用并行计算最直接的目的就是提高问题的求解速度以快速完成原问题的解。非数值计算是相对数值计算而言的，它研究的是如何将计算科学中一些不能直接使用数学函数解决的问题并行求解。90年代开始，我带领团队系统地开展了此方面的研究，首先是奠定了所需的理论基础，并逐渐形成了完善的学科体系和应用示范。在此过程中，我们还积极倡导交叉学科研究，及时关注学科前沿技术，并且坚持学术研究要服务于国民经济主战场。在整个研究过程中，我们一方面积极开展国际学术交流，创办国际学术会议和专业期刊；另一方面坚持自力更生，研制自主可控的国产高性能计算机，创建科教平台为普及中国高性能计算机教育服务。     

基于高性能并行计算的旋转网球空气动力学模拟

基于曙光5000A高性能并行集群架构和软硬件环境,采用计算流体力学方法,针对旋转物体特有的马格努斯力作用,应用Realizable k-ε湍流模型,研究网球在不同球速和转速条件下周围流场压力分布及网球表面压力分布特性,并提出一种旋转网球空气动力学模拟方法。通过增加网球旋转加大上下表面压力差,增强马格努斯效应使网球急坠,球速增加造成周围气体流态紊乱,使得网球可控性变差,阻力和升力系数分别随网球球速和旋转速度增加而增加。实验结果表明,多核并行计算可有效提高计算精度和运算效率。     

全球气象资料质量控制的一种粗粒度并行计算调度策略

本文针对中期数值预报全球粢资料同化系统中的质量控制并行计算问题,在分析最优插值方法和盒方法的基础上,提出了一种负载平衡的计算调度策略。依据该策略,设计并实现了相应的粗粒度并行算法,取得了满意的效果。     

局域网上并行计算方法研究

本文阐述了一种在RedHat Linux6.1操作系统的局域网上,实现并行计算的方法。     

云计算环境下并行计算优化调度研究与仿真北大核心CSCD

由于云计算环境下并行数据具有不同的特征,采用不同的表达式描述客户对并行计算任务的满意度时,无法使客户所需并行计算任务和客户满意度完全符合调度条件。传统的调度方法,主要以客户满意度作为并行计算调度的前提,没有充分考虑并行计算任务和客户满意度之间的关系对任务调度准确性的影响,导致调度效率差的问题。提出一种基于优化遗传算法的云计算环境下的并行计算调度方法。建立并行计算调度任务模型,将模糊逻辑和虚拟机利用率的方差作为控制变量,利用遗传算法进行并行计算调度策略的寻优,在交叉操作中引入了参数可调的概率函数,在变异操作中引入了自适应变异的概率函数,从而提高了并行计算中的调度效率。仿真结果表明,改进算法能够提高调度效率,效果令人满意。     

一种IP分组重组的两级并行计算与负载调度方法

本文构建了基于MPICH和SMP／CMP的IP分组重组两级并行计算集群,并基于N元非合作模型的路由切割调度算法研究了在较大规模IP分组重组环境下集群内部计算节点上的两种负载平衡方法。实验说明,利用集群来解决大规模的IP分组重组问题是一个可行的办法。     

基于混合线性反馈控制结构的软实时调度算法研究

针对CPU资源实时调度模型的时变、非线性等特点，提出一种基于混合反馈控制结构的软实时调度算法，有效地解决了实时系统的非线性，实现了全局线性化反馈，改善了实时系统的稳态和动态响应特性，同时对系统模型的时变参数具有较好的鲁棒性，提高了资源的利用率．     

基于网格计算平台的并行计算系统研究与实现

把网格和高性能计算结合起来,基于网格高性能计算平台的并行计算系统(GPCS),主要介绍了GPCS的体系结构、功能及其设计、实现等几个主要的问题。该平台以通用网络为基础,以网格平台中间件为桥梁,实现了各种高性能计算资源之间的互联互通、共享和协同工作。     

网络并行计算系统中基于多处理机任务的资源调度模型

简要描述了网络并行计算系统中任务调度问题和经典的多处理机任务调度研究现状,并将两者结合到一起建立网络并行计算系统中的新型调度模型,较详细地论述了多处理机任务的定义,然后还讨论了该模型求解的近似调度策略及其近似优化问题,给出了其特例Pm｜fix｜Cmax问题的最优调度的时间跨度下界。     

面向服务的网格高性能计算策略

网格技术和Web服务的发展，促成了服务计算的诞生和发展．本文在面向服务的架构下，重新研究传统计算网格下的高性能计算．首先，针舛高性能计算应用的特点，结合面向服务的思想，提出了一种层次资源管理体系结构．其次，分析了适用于网格环境的高性能计算应用的程序结构，并通过有向无循环图（DAG）加以表示．第三，基于上述的资源管理体系结构和高性能计算应用模型，提出了一种改进的动态优先级调度算法．最后，通过仿真实验，分析了提出的算法的性能，实验结果表明提出的算法适用于网格环境，进而验证了本文提出的面向服务的网格高性能计算策略的有效性．     

面向异构计算的高性能计算算法与软件

研发适应国产异构计算环境的高性能计算算法与软件是非常重要的课题,对我国高性能计算软件研发匹配高性能计算硬件高水平发展的速度具有重要意义.首先,简要介绍高性能计算应用软件的现状、趋势和面临挑战,并对几类典型高性能计算应用软件开展并行计算算法特征分析,涵盖了宇宙N体模拟、地球系统模式、计算材料相场动力学、分子动力学、量子计...     

基于网格计算的导弹武器系统效能评估研究

本文提出了基于网格计算的数值SEA效能评估的并行协同算法。该方法首先将SEA串行计算任务合理地划分成若干并行子任务,然后分配到各计算单元上,能充分利用网络中空闲的计算资源,提高计算速度。试验结果表明该方法具有较好的并行加速比。     

有向图并行计算中一种新的结点调度算法

在基于有向图的并行计算中,给定图剖分后,如何设计结点调度方案使得并行执行时间最短,是典型的NP完全问题.针对此问题,文中提出一种新的基于顺逆交替迭代技术的启发式调度算法,并给出该算法的并行实现.严格的理论推导证明,新算法在一定的假设条件下,从任何初始调度方案出发,均可以单调收敛.在数百个处理器上的并行数值实验表明,与常用的调度算法相比,新算法可在付出很少的开销代价下显著提高整体并行效率.     

面向高性能数值计算的并行计算模型DRAM(h)

提出了一个基于存储层次的新并行计算模型DRAM(h)，并在该模型下对两个经典并行数值计算算法的不同实现形式：四种形式并行下三角方程求解(PTRS)和六种形式无列选主元并行LU分解(PLU)，进行了分析．模型分析表明，具有近乎相同时间和空间复杂性的同一算法不同实现形式，在该模型下会有完全不同的存储复杂度．作者在日立公司SR2201MPP并行机、曙光3000超级服务器和中国科学院科学与工程计算国家重点实验室(LSEC)的128节点Linux Cluster等三种并行计算平台上对模型分析结果进行了实验验证．结果表明，该模型分析在绝大多数情况下都能较好地与不同实验平台上的实验结果吻合．个别出现偏差的分析结果，在根据计算平台的存储层次特点修改模型分析的假定后，也能够进行解释．这说明了该模型对不同形式的算法实现进行存储访问模式区分的有效性．对在计算模型中加入指令／线程级并行的可行性和方法的研究是下一步的工作．     

基于GPU的高性能并行计算技术

为研究基于GPU的高性能并行计算技术,利用集成448个处理核心的NVIDIA GPU GTX470实现了脉冲压缩雷达的基本数据处理算法,包括脉冲压缩算法与相参积累算法;同时根据GPU的并行处理架构,将脉冲压缩、相参积累算法完成了并行优化设计,有效地将算法并行映射到GPU GTX470的448个处理核心中,完成了脉冲压缩雷达基本处理算法的GPU并行处理实现;最后验证了并行计算的结果,并针对处理结果效果与实时性进行了评估。     

面向异构计算的高性能计算算法与软件

研发适应国产异构计算环境的高性能计算算法与软件是非常重要的课题,对我国高性能计算软件研发匹配高性能计算硬件高水平发展的速度具有重要意义.本文首先简要介绍高性能计算应用软件的现状、趋势和面临挑战,并对几类典型高性能计算应用软件开展并行计算算法特征分析,涵盖了宇宙N体模拟、地球系统模式、计算材料相场动力学、分子动力学、量子计算化学和格点量子色力学等多个问题、尺度和领域.其次,我们讨论了面向国产异构计算系统的对策,提炼出若干典型应用算法和软件的共性问题,涉及核心算法、算法发展、优化策略等.最后,本文面向异构计算体系结构对高性能计算算法与软件进行了总结.     

基于网格的并行FFT计算研究

快速傅里叶变换（FFT）在科学和工程领域有着广泛的应用。在网格环境下进行并行FFT计算可以提高运算速度,促进FFT的应用。在介绍了网格计算发展状况的基础上,详细阐述了基于网格的分布式并行计算。实验以FFT算法为背景,在Globus Toolkit 4平台下实现了并行FFT计算,并对实验数据作了分析,说明了基于网格的并行FFT计算的可行性。最后指出网格资源调度对并行计算的重要性。     

基于GERT网络模型的武器装备试验质量控制研究

精准有效地控制试验质量是客观评价武器装备性能好坏的重要标准,由此提出基于GERT网络模型的武器装备试验质量控制方法.明确全部样本数据先验信息,使用贝叶斯方法计算参试产品数量,利用工作分解结构法得到武器装备试验GERT网络模型并简化转换为确定型网络,构建武器装备试验质量控制模型,引入混合粒子群算法求解模型.实验结果表明,...     

遥感影像的高性能并行处理技术研究

随着空间遥感技术和对地观测技术的不断发展,光学、热红外和微波等不同技术手段可以获取同一地区的多种遥感影像数据（多时相、多光谱、多传感器、多平台和多分辨率等）,每天获取的遥感数据量越来越大。同时,大量的遥感应用需要快速地对这些遥感数据进行处理与分析,提供辅助决策信息。因此,如果不能及时进行数据处理,这些数据就会失去时效性,甚至失去数据本身的价值。高性能计算与并行处理技术,加速了遥感影像数据处理与信息提取的进度,如大规模多处理系统、网格与云计算技术、通用图形处理器（GPGPU）等。文中综述了高性能计算、并行处理及云计算技术应用于遥感领域的最新进展,给出了一些研究与应用范例,并提出了当前高性能遥感影像处理所面临的一些挑战。