国产CPU 平台中高阶矩量法10 万核并行性能

针对国产超级计算机平台上大规模电磁仿真软件相对匮乏,本文将并行高阶矩量法程序移植到国产超级计算机平台上,并以机载线天线阵列的辐射特性计算为例对其并行性能进行了测试和评估。实现了并行高阶矩量法单一任务突破10 万CPU 核规模,这是目前在国产超级计算机平台上实现的最大规模并行矩量法计算。以1440 核为基准,使用CPU 核数达到102400,并行规模扩大约70 倍时,并行矩量法矩阵方程求解并行效率仍在50%以上。这一研究工作,使利用纯国产超级计算机对复杂电大电磁系统进行精确高效仿真成为可能。     

国产CPU平台中并行高阶矩量法研究

将并行高阶矩量法在纯国产CPU平台中对电磁辐射与散射问题进行了仿真计算,并以散射问题为例,对算法的并行效率进行了测试.基于高阶多项式基函数的矩量法在保证计算精度的同时,可以大幅度降低传统RWG基函数矩量法产生的未知量.基于分块矩阵的高效并行策略进一步提高了矩量法的计算规模,并加速了仿真计算的过程.数值结果表明,采用的并行高阶矩量法程序,为在纯国产超级计算平台中解决复杂电磁仿真问题提供了一条有效的途径.     

高阶矩量法的超级电磁计算研究

矩量法是广泛使用的高精度电磁数值算法之一。在仿真复杂电磁问题时,该算法需要处理大型复数稠密矩阵方程,这导致其面临内存需求高、计算时间长的问题。与传统基函数相比,本文采用的高阶多项式基函数能够在保证计算精度的前提下大幅度降低未知量,进而降低矩阵阶数。在此基础上,本文设计了基于分块矩阵的高效并行策略,在国内超级计算机平台开展了并行高阶矩量法的超级电磁计算研究,大幅度提升了矩量法的仿真能力。在国产神威蓝光超级计算机上,以机载天线阵列的辐射特性计算为例,对并行规模高达30720 CPU核时的算法性能进行了评估,测试结果表明算法在并行规模扩大20倍以上时仍可获得50%以上的并行效率。在当前排名世界第一的天河2号超级计算机上,以飞机散射特性计算为例,对并行规模高达201600 CPU核时的算法性能进行了评估,测试结果表明算法在并行规模扩大约8倍时可获得50%以上的并行效率。数值仿真结果表明并行高阶矩量法可以在不同架构的超级计算机上高效完成复杂电大目标的精确电磁计算。     

复杂环境中手机电磁辐射的比吸收率计算

针对如何精确、高效地计算复杂环境中手机电磁辐射比吸收率的问题,开展了有限元区域分解方法及其对于非周期结构目标的求解方法研究。结合有限元区域分解与并行计算技术,给出了一种分析手机辐射情况下人体局部比吸收率的高效方法。通过计算复杂分层人头模型,与商业软件进行对比,验证了该方法的正确性与计算效率。最后,将这种方法应用于车载环境中人头局部比吸收率仿真分析中,有限元求解网格量突破1000万,表明了该方法的计算能力。     

并行区域分解法分析千波长目标散射特性

为了在资源有限的条件下快速准确地分析电大尺寸目标的电磁散射特性,给出了一种并行非重叠非共形的基于积分方程的区域分解方法．在子区域内部以及子区域间耦合的计算采用并行多层快速多极子算法进行加速．针对多层快速多极子的八叉树结构,用改进的平面波自适应划分策略提高了并行效率．子区域间的耦合使用场迭代的方式计算,避免了存储互阻抗矩阵,进一步降低了内存需求．数值仿真实例表明,该方法可以高效地解决上千波长目标的散射问题．     

基于国产众核超级计算机的6×105核并行矩量法

为实现电磁计算的安全可靠和自主可控,该文基于“天河二号”国产众核超级计算机平台,开展大规模并行矩量法(MoM)的开发工作。为减轻大规模并行计算时计算机集群的通信压力以及加速矩量法积分方程求解,通过分析矩量法电场积分方程离散生成的矩阵具有对角占优特性,提出一种新型LU分解算法,即对角块矩阵选主元LU分解(BDPLU)算法,该算法减少了panel列分解的计算量,更重要的是,完全消除了选主元过程的MPI通信开销。利用BDPLU算法,并行矩量法突破了6×105 CPU核并行规模,这是目前在国产超级计算平台上实现的最大规模的并行矩量法计算,其矩阵求解并行效率可达51.95%。数值结果表明,并行矩量法可准确高效地在国产超级计算平台上解决大规模电磁问题。     

LMS自适应波束形成方法研究

研究了最小均方误差（LMS）和归一化最小均方误差（NLMS）自适应波束形成方法的性能,分析了影响波束形成性能的因素,通过计算机仿真实验验证了搜索步长、迭代次数、快拍对波束形成性能的影响,并比较了两种方法的收敛速度、稳态误差和抗干扰性能。     

协同计算在机载阵列天线分析中的应用

在机载阵列天线的分析过程中,采用单一种类的电磁算法通常难以对之高效求解。为了快速准确分析此类复杂电大目标的辐射和散射问题,基于区域分解的思想建立了一种多算法协同计算的统一架构。将复杂电磁问题划分为多个子区域,对于问题的不同子区域可以根据该区域内的材料、结构、馈源等特征来选择适合的数值方法进行计算。该协同计算框架将不同种类的算法隔离开来,不同区域之间统一采用等效面上的近场交换区域间的耦合作用,提高了算法协同的灵便性。各子区域内部可以采用并行计算、核外存储等技术来加快计算的过程,提高求解问题的规模。数值计算结果验证了该方法的有效性,同时采用并行核外高阶、低阶矩量法及多层快速多极子混合方法高效解决了机载微带天线阵的辐射特性分析问题。     

基于超级计算机的矩量法性能分析与优化

复杂目标的精确电磁特性分析往往需要巨大的存储和极长的计算时间。针对这一问题,结合国内发展迅速的超级计算机系统,研究了具有精确高效仿真能力的高性能电磁算法——高阶矩量法。提出了单元预选法来消除矩阵并行填充过程中的无效计算,加速矩阵填充过程。提出了一种具有更少的通信次数和通信量的新型并行LU分解算法,加速矩阵方程求解过程。数值测试表明提出的矩阵并行填充算法和矩阵方程并行求解算法在超级计算机平台上都能获得较高的并行性能,大幅提高了矩量法的仿真能力。