千万亿次可扩展可容错自由网格数值模拟系统

在千万亿次计算能力的驱动下,数值软件的发展进入了一个以海量并行为基本特征的历史转折期,可扩展和可容错成为大规模数值模拟的两大关键技术.petaPar模拟程序是以对传统数值技术形成优势互补的无网格类方法为切入点,面向千万亿次级计算而开发的下一代新兴通用数值模拟程序.petaPar在统一架构下实现了光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)和物质点法(material point method, MPM)两种最为成熟和有效的无网格/粒子算法,支持多种强度、失效模型和状态方程;其中MPM支持改进的接触算法,可以处理上百万离散物体的非连续变形和相互作用计算.系统具有以下特点:1)高可扩展.实现单核单Patch极端情形下计算和通信的完全重叠,支持动态负载均衡;2)可容错.支持无人值守变进程重启动,在系统硬件出现局部热故障时可以不中止计算;3)适应硬件体系结构异构架构的变化趋势,同时支持flat MPI和MPI+Pthreads并行模型.程序在Titan千万亿次超级计算机上进行了全系统规模的可扩展性测试,结果表明该代码可线性扩展到26万个CPU核,SPH和MPM的并行效率分别为100%和96%.     

一种面向蒙特卡洛程序的128核可扩展体系结构

蒙特卡洛方法是研究粒子输运问题的重要方法,为蒙特卡洛方法设计定制加速体系结构成为粒子输运模拟的研究热点。分析了一种典型的蒙特卡洛方法代理程序Quicksilver的程序特征,并对存储层次和簇规模等影响可扩展性的结构参数进行了探索,提出了一种面向蒙特卡洛程序的128核可扩展体系结构,在128核配置下实现了相比单核90倍的加速比和70.1%的扩展效率。     

交错网格结构的涡粒子烟模拟

目的 流体模拟方法中的基于旋度的模拟方法相比于基于速度的模拟方法,能提供较多细节,但是通常难以处理不同的边界条件,比如固体边界和自由表面,而且通常难以保证模拟的稳定性。本文的目的就是为了解决基于旋度的模拟方法的边界问题和稳定性问题。方法 提出一种交错网格结构,在这种网格结构下,旋度分量被错开放置在每个网格的棱的中心点。利用这种网格离散格式,提出了几种修改求解速度场方程组的策略,以应对不同的边界条件。结果 给出多种场景下的流体模拟结果图,以及几种场景下的总动能变化图和时间效率表。结果显示,本文方法能够处理好不同边界条件,并保持模拟的稳定性。结论 本文提出了一种新的涡粒子流体模拟方法,该方法利用一种交错网格结构辅助模拟,在这种新的网格离散格式下,该方法解决了基于旋度的模拟方法的边界问题和稳定性问题。     

可配置可扩展发布订阅系统的研究及其实现

分析了当前发布订阅系统的主要类型和存在的问题.基于发布订阅系统的主要设计模型,采用分层与插件相结合的动态体系结构设计方法,设计和实现了可配置和可扩展的发布订阅系统ACT-PS(ACT-Publish/Subscribe System),支持基于应用需求的配置和扩展.在具体的电子政务数据交换系统当中的配置运行表明,ACT-PS系统为通过可配置和可扩展的方式建立发布订阅系统提供了新的途径.     

基于一种新的网格结构的涡粒子模拟烟的方法

目的：流体模拟方法中的基于旋度的模拟方法相比于基于速度的模拟方法,能提供较多细节,但是通常难以处理不同的边界条件,比如固体边界和自由表面,而且通常难以保证模拟的稳定性。本文的目的就是为了解决基于旋度的模拟方法的边界问题和稳定性问题。方法：本文提出了一种新的网格结构,在这种网格结构下,旋度分量被错开放置在每个网格的棱的中心点。利用这种网格离散格式,本文提出了几种修改求解速度场方程组的策略,以应对不同的边界条件。结果：本文给出了多种场景下的流体模拟结果图,以及几种场景下的总动能变化图和时间效率表。结果显示,本文方法能够处理好不同边界条件,并保持模拟的稳定性。结论：本文提出了一种新的涡粒子流体模拟方法,该方法利用一种新的网格结构辅助模拟,在这种新的网格离散格式下,该方法解决了基于旋度的模拟方法的边界问题和稳定性问题。     

C/S网络环境下生成“可扩展通用报表”的方案设计

在开发网络环境下管理信息系统（MIS）过程中,如何针对应用环境高效生成可扩展通用统计报表是一个十分重要的问题,它将影响整个系统的性能及有效性。分析了网络环境下客户／服务器应用系统开发的特殊性,提出了在此环境下开发客户／服务器应用软件的技巧。同时,结合国内情况,提出了在网络环境下实现报表“可扩展性”、“通用性”和“高效性”的方法,以实例介绍了其实现思路,具有一定的创新性和实际参考价值。     

基于Java的粒子模拟程序及其改进

本文介绍了如何用Java实现粒子模拟的面向对象的并行程序设计方法,并在由16个Pentium Ⅲ 1．6G CPU组成的微机机群上测试了其性能。同时,为了提高它的计算性能,我们还介绍了利用JNI实现Java和Fortran混合编程的方法,即把程序中计算量较大的部分用Fortran语言代替,以提高其计算性能。结果表明,Java／Fortran混合编程是进行科科学计算的一种有效途径。     

可计算函数的程序理解方法

为满足大规模软件开发的需要,自动化成为软件工程迫切的要求,并贯彻到软件设计、开发和维护的各个阶段.提出一种以可计算函数为基础的程序理解方法,最大程度地识别函数功能、验证组件安全属性,实现对二进制代码的理解,以精简的函数表达式和并发赋值形式展示函数理解结果,提高人工阅读程序的效率.实验表明生成并发赋值语句的数量、时间与软件代码大小成线性关系,并得出了经验公式.     

交互式角色运动特效的光滑粒子流体动力学仿真

长期以来,由于流体仿真和物体变形计算都具有相当程度的复杂性,使得流体与刚体的交互模拟,特别是和带有复杂动画的角色交互的效果,难以达到实时计算和渲染。在此,笔者提出了一个新的方法,用于生成沿着角色运动而产生交互的流体特效。为了实现这类效果的生成,控制流体特效与运动角色的交互,首先针对角色运动轨迹进行跟踪,根据轨迹的几何性质而生成初始状态的流体特效;然后借助光滑流体动力学(SPH)对流体粒子进行仿真。其中针对基于SPH技术的复杂性,流体仿真的过程借助GPU并行计算的能力,采用了一种新的高效粒子搜索算法,最终实现普通用户级个人计算机上实时渲染具有流体运动特征的角色运动特效。     

大规模MPI 并行计算的可扩展三模冗余容错机制

随着系统规模的扩大,并行计算的性能不断提高,但可靠性却也在不断下降,因此需要采用某种容错机制来容忍或恢复硬件故障和数据错误.目前常用的容错机制Checkpoint/Restart和多模冗余均引入了额外的开销,这些开销均在某种程度上制约了并行计算的可扩展性.因此,在高性能计算需求不断增长的今天,可扩展容错机制的设计显得尤为迫切和重要.以三模冗余(triple modular redundancy,简称TMR)为典型案例,描述了传统TMR在大规模MPI 并行计算上的实现方法,分析了该机制所面临的实际问题,进而指出传统TMR制约了并行计算的扩展.根据该技术所面临的问题,设计了可扩展三模冗余(scalable triple modular redundancy,简称STMR),并进一步验证了其有效性和可扩展性.该机制不仅能够处理Checkpoint/Restart针对的fail-stop故障,还能够解决绝大部分硬件不能直接感知的数据错误.最后,借用BlueGene/L的系统参数进行模拟,预测当系统规模增大时,在分别采用TMR和STMR的情况下并行计算可扩展性的变化,结果进一步验证了STMR是可扩展的容错机制.     

基于GCC的容错编译器的研究与实现

在COTS微处理器上实现面向硬件故障的软件容错技术,与硬件容错技术相比,其性能、成本、功耗和灵活性上都拥有巨大的优势。其中容错编译技术通过在编译的时候自动地插入指令实现容错,实现简单、高效,不需要重写源代码,减轻了程序员的负担,有利于利用已有的大量程序,是软件容错研究中较为活跃的分支。本文以GNU开源编译器GCC为平台,结合现有容错编译算法,讨论一款初步具有容错编译能力的编译器的设计与实现。     

基于组件应用服务器的对象容错服务

组件应用服务器框架是一种特定形式的分布式对象系统平台,要求成为高可靠性的系统.这里指的可靠性主要是指错误容忍和错误恢复两个特性.本文的主要目标是建立基于分布式对象的组件应用服务器的软件容错服务框架.我们采用一种名叫对象容错服务(OFS)的办法解决对象容错,我们解决的问题包括:对象失效、节点错误、网络隔离和不可预知的通信延迟等.本文介绍了OFS的服务规范,并给出了一个OFS实现的系统结构.     

分布式计算系统回卷恢复容错的仿真设计

为了解决分布式计算系统回卷恢复容错的验证评估问题,设计一种分布式计算系统的回卷恢复容错算法的仿真机制,依据分布式计算系统回卷恢复容错的总体架构,将分布式计算系统中的节点任务过程使用离散事件模拟,在网络系统仿真工具的应用层增加支持多任务回卷恢复容错仿真的模块,并设计用于回卷恢复容错仿真的结构、功能模块和系统参数设定。结果表明本文提出的仿真机制能够实现分布式计算系统的回卷恢复容错算法的模拟验证,为不同容错算法间对比、改进与优化提供参照。      

与性能相关的容错计算系统可靠性指标

对于某些容错计算系统，由于成功与故障之间没有明确的界限，用传统的可靠性指标难以准确地评价其容错性能，为此一些学者提出了若干与性能相关的可靠性指标。本文将这些指标概括成三类（即基于瞬时性能的指标、基于累积收益的指标和率模可靠性指标）加以介绍，并简要介绍了它们的求解方法。     

基于网络感知的容错志愿计算

针对志愿计算系统中节点分布在不同地理位置的特性,分析了传统主一从计算模型在志愿计算系统中的缺陷,提出了基于网络感知的容错志愿计算模型,该模型考虑了节点的网络因素,将节点划分到不同的子集中,基于该模型能够处理由于网络因素造成的故障。另一方面对传统的覆盖容错策略进行了改进并将其应用到容错志愿计算中。实验结果表明,基于网络感知的模型和改进覆盖容错策略能够显著地提高志愿计算系统的可靠性和性能。     

基于PC服务器的自动容错系统

为了解决在服务器无法正常运作时服务中断的问题,本文利用PC及自由软件组件建立了一套简易而廉价的服务器自动容错机制,可以在服务器发生问题或者停机检测时自动取代原主要服务器的角色,继续提供正常服务.对于发生故障的机器,也能在第一时间以短消息等通讯方式通知系统管理者进行处理.     

一种基于主动复制的动态容错算法

对于诸如Web服务这种面向广域环境的分布计算,服务应答慢等同于不可用。它在不改变可用性的前提下对算法的性能提出了很高的要求。然而目前的容错算法很少致力于提高算法的性能。文中提出一种新的复制算法RRR。它的主要优点是:应答由处理速度最快的副本返回,响应时间短;节约系统资源;基于主动复制,但避免了重复嵌套呼叫问题。最后用理论分析和实验证明了算法的优点。     

一种基于主动复制的动态容错算法

对于诸如Web服务这种面向广域环境的分布计算，服务应答慢等同于不可用。它在不改变可用性的前提下对算法的性能提出了很高的要求。然而目前的容错算法很少致力于提高算法的性能。文中提出一种新的复制算法RRR。它的主要优点是：应答由处理速度最快的副本返回，响应时间短；节约系统资源；基于主动复制，但避免了重复嵌套呼叫问题。最后用理论分析和实验证明了算法的优点。