上海交通大学高性能计算建设的理念与实践

上海交通大学的高性能计算经历了"合久必分、分久必合"的10年后,于2012年初成立了校级高性能计算中心,为全校提供高性能计算的公共服务.本文着重介绍了该中心在建设过程中,应对4个挑战时所秉承的理念与实践情况,分别是:1)基于异构计算,设计并建成了国内高校最快的超级计算机π;2)在国内率先提出开放运维的理念,采用类似美国能源部INCITE项目的方式分配机时资源,并在网上公开超级计算机π的实时利用率等信息;3)关注学生教育,注重兴趣培养,以研究促教学;4)与国外一流大学开展长期合作,提升国际影响.

高校计算中心建设的前景

高校计算中心建设的前景上海交通大学计算中心顾一众，王丽霞“２１１工程”的实施，给我国高等教育的发展提出了新的要求，也使各高校的改革与发展面临了新的挑战和机遇。在力争进入“２１１工程”的高校中，一般都将教育基础工程建设作为“２１１工程”建设的子项目，高...

处理器性能波动检测的计时方法及评价指标

超级计算机中的性能波动通常表现为软件在同一硬件上运行得忽快忽慢,或在配置相同的硬件上运行得快慢不一.在多种性能波动来源中,处理器性能波动隐蔽性强且危害巨大,可导致超级计算机整机性能急剧下降.然而,当前处理器性能波动研究面临两大难题.首先,现有工具难以检测微小的性能波动.为了准确检测纳秒级的处理器性能波动,计时方法需要具有很高的精度和灵敏度.然而,现有工具在真实应用中用于计时测量时,计时结果波动可达数万拍,难以检测处理器性能波动.其次,现有方法难以客观评价不同工具的性能波动检测能力,缺乏量化评价指标.一次性能波动检测包含大量计时结果,其分布可能受性能波动和计时波动的共同影响.然而,现有方法无法评价这些测量结果是否真实反映了性能波动的特征.为解决第一个问题,本文对PAPI在不同缓存状态下的计时波动进行了测量和原因分析.随后,基于x86和Armv8指令集的内存屏障和序列化指令,设计了序列化屏障计时方法,用以抑制计时波动.为解决第二个问题,本研究对计时波动进行建模,首次提出了跨平台的计时方法精度和灵敏度指标及评价方法,定量评估了计时方法对微小时间波动的测量能力,为性能波动的检测和判定提供了依据.实验表明,在英特尔Xeon 6248和华为鲲鹏920-6426处理器上,与PAPI相比,序列化屏障计时方法的精度提高了2.2~30.2倍,灵敏度提高了1.9~44.8倍,并且能够检测到纳秒级别的性能波动.

汽车碰撞有限元仿真的并行计算及其性能研究

并行计算是提高汽车碰撞有限元仿真的计算速度和求解能力的有效途径。文章简要介绍了汽车碰撞有限元仿真并行计算的区域分解方法,给出了处理接触时的并行计算流程,分析了并行求解过程以及主要时间开销。在此基础上,研究了两种硬件体系结构和不同处理器数目对计算效率的影响。最后研究了不同的区域分解策略对整车碰撞计算效率的影响。研究结果对最终用户选择合适的硬件平台和计算软件具有指导意义。

分布式数据库技术在上海地区科技情报计算机检索网络中的应用

本文叙述了科技情报检索系统中分布式数据库的主要技术问题，如分布式数据库结构，查询，事务并发控制，目录管理等，还叙述了上海地区科技情报检索网络在实现分式布数据库中的一些设想，为研制工作提供一些经验。

沉管隧道地震响应分析的并行计算

采用全三维非线性建模方法建立了沉管隧道总体有限元模型,模型规模上节点总数超过100万,单元总数超过120万。由于系统的非线性,以及地震激励是一种时间历程,沉管隧道地震响应数值模拟的实质是一个超大规模非线性系统的瞬态响应计算问题,因此导致目前在地震安全性评价领域普遍采用的串行算法、串行软件和普通的计算机无法胜任此工作。根据所用超级计算机的体系结构特点,采用并行区域分解算法,通过对沉管隧道总体模型合理分区来进行地震响应分析。地震波载荷选用调幅后的唐山地震波,应用通用的非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解,计算结果可为隧道的抗震设计提供有力依据。

冲击-接触问题有限元仿真的并行计算

冲击-接触问题广泛存在于汽车碰撞等的模拟计算中。简单介绍了求解该类问题的显式有限元方法,对显式有限元方法的并行性进行了讨论。根据显式有限元和冲击-接触问题的计算特点,设计并实现了接触均衡的分区算法。算例计算结果表明:该并行算法具有较好的加速比和并行效率。

基于并行计算的盾构机刀盘三维切削仿真

针对盾构机工作时刀盘切削土体的数值仿真,建立了细致分析模型,并利用任意拉格朗日欧拉(ALE)和流固耦合(FSI)理论及方法来解决传统有限元方法进行切削仿真时易引发的网格大变形问题;在国产曙光4000A超级计算机上利用LS-DYNA MPP 970完成了并行计算,采用了传统递归坐标对分、以及根据仿真模型特点提出的基于耦合均衡坐标对分等两种区域分解策略。结果表明,ALE-FSI方法能有效处理刀盘切割土体仿真时的网格大变形,仿真数据与试验数据对比也比较一致;通过促进负载均衡,在计算时CBCB法比RCB法体现出了更好的加速比和并行效率。

流体-结构耦合问题的有限元并行计算研究

流体-结构耦合问题广泛存在于各种工程领域,本文采用ALE显式有限元法求解该类问题,并对该方法的并行性进行讨论。同时根据流体-结构耦合问题与ALE显式有限元的计算特点,在坐标递归分区方法的基础上设计并程序实现了基于流体-结构耦合均衡的分区算法。通过与坐标递归分区方法的计算结果相比较,对于流体-结构耦合问题的求解,耦合均衡并行分区方法具有更好的加速比和并行效率。

基于并行计算的盾构机过大堤三维数值模拟

针对某越江隧道工程,基于刚度迁移法及自适应接触算法,建立了盾构机-土体-大堤三者相互作用的三维非线性有限元模型.通过对盾构机穿越大堤这一连续的复杂物理力学过程作等效力学离散,提出了盾构机机身坡度、盾构机超挖、注浆时空效应、拖车作用等施工因素的数值模拟方法.通过将计算结果与试验段实测数据对比验证,预测了盾构机过大堤时对大堤的影响关系.同时,对该盾构法施工有限元模型在SMP与DMP并行计算平台下的并行计算效率、加速比进行对比分析,结果表明,迭代法并行计算效率远大于直接解法,DMP并行平台计算效率大于SMP并行平台.

薄壳结构失稳临界载荷的并行计算

以大型有限元分析软件为开发平台,研究了弹性结构屈曲分析的并行计算方法及软件实现,并针对大规模超级计算机的硬件环境编写了屈曲分析的并行求解程序;通过开发软件接口,将并行求解程序作为子模块嵌入串行有限元分析软件的求解序列中,并使其可直接调用;针对有限元前后处理器开发了风格一致的客户化界面,使并行计算的操作可视化。开发集成后的软件系统使串行有限元软件的前后处理能力与大规模并行机的高性能计算能力紧密结合,能够有效提高静力屈曲分析的规模和效率。

爆炸流场与玻璃幕墙动力响应的仿真计算方法

采用ALE有限元法进行了爆炸流场与复杂玻璃幕墙结构相互作用的三维动态仿真。针对数值仿真过程中计算效率过低的问题,根据显式有限元和距离爆炸冲击波试验问题的计算特点,利用高性能计算平台设计并实现了爆炸冲击波与玻璃幕墙动力响应的分步流固耦合仿真计算方法。研究了爆炸冲击波作用下幕墙玻璃的动力响应情况,通过与试验结果相比较,证实了该仿真方法的可行性,为玻璃幕墙结构的抗爆设计与改进提供了参考依据。

整车-乘员集成系统正面碰撞的计算机仿真

某型国产小客车为对象建立了整车有限元模型,然后在此基础上集成了包括50百分位的HybridⅢ型假人,安全带和安全气囊系统的完整的乘员约束系统的有限元模型。按国家标准《正面碰撞乘员保护的设计规则》(CMVDR294)规定的试验条件,对整个集成系统进行了正面碰撞的数值模拟。仿真结果与试验结果吻合。之后本文对不同约束情况下的乘员安全性做出了比较与评价。

基于仿真计算的汽车发动机罩改进设计研究

利用有限元方法对某车型在50km/h的速度下正面碰撞刚性墙的过程进行计算机仿真,结果发现发动机罩铰链发生断裂失效,试验结果与仿真结果一致,发动机罩铰链断裂将严重影响到驾驶员及乘员的安全,另一方面也降低了发动机罩变形吸能的能力。根据仿真计算结果,对发动机罩及铰链进行结构和材料两方面的改进设计,从而保证铰链在整车碰撞过程中不再发生断裂,同时也改善了发动机罩的变形吸能模式,进而有效地增强了车身的安全性能。

基于并行计算的大跨度斜拉桥行车安全分析

采用有限元分析方法对轻轨车辆在大跨度双层斜拉桥上的行车安全进行了评估。建立了斜拉桥与轻轨车辆耦合振动的精细三维有限元模型,其中桥梁模型包括主塔、过渡墩、辅助墩、支撑桩、土体、斜拉索以及桥面系统等;轻轨车辆模型包括车体、转向架、轮对及弹簧阻尼系统等,整体有限元模型的单元与节点数均超过百万。设计了基于接触均衡的并行分区算法,在上海超级计算中心的曙光4000A上完成了仿真计算,解决了模型庞大带来的求解困难。求得了轻轨车辆在大跨度斜拉桥上运行的轮轨横向和垂向接触力,通过计算最高车速下单车匀速、双线汇车两种工况的轮重减载率及脱轨系数,分析了桥梁的行车安全,结果为斜拉桥的安全设计提供了参考依据。

储液容器跌落碰撞的并行仿真计算研究

基于多物质的ALE有限元法,应用通用动力学软件LS-DYNA完成了空投柔性储液容器跌落碰撞过程的数值仿真计算.容器采用Lagrangian描述,溶液采用ALE描述,容器与溶液间的耦合作用及容器与地面的碰撞接触均采用罚函数法得以实现.在分析空投容器力学行为的同时,对该问题计算的并行性进行了讨论.针对储液容器跌落碰撞过程中,即存在十分耗时的非线性流体与结构耦合计算又具有碰撞接触计算的特点,在递归坐标二分分区方法的基础上,提出了负载均衡的分区策略,通过程序实现该分区过程.结果表明,相对于坐标递归二分分区方法,负载均衡的分区方法使得各分区的负载更加均衡,具有更好的加速比与并行效率.

空间多点地震动模拟的并行计算方法及软件

在已有的空间相关多点地震动人工模拟方法的基础上,针对整个模拟过程提出对计算量大的部分进行并行计算,并采用Fortran90与MPI语言开发了多点地震动的并行模拟程序,能够有效提高多点地震动模拟的规模与效率;同时,通过对商业性前后处理有限元软件的二次开发,将多点地震动并行模拟程序作为模块嵌入原软件,使用户能够通过可视化界面方便快捷地应用人造地震动,使人造地震动与结构地震响应分析成为一个完整的流程。

结构动力响应精细积分级数解的并行计算

讨论了精细积分法的存储需求问题,指出级数解更适合计算大型结构的动力响应分析。研究了精细积分法级数解的并行计算,精细积分法的时程积分公式包含两项,采用第一项串行、第二项并行的并行算法对精细积分级数解实施并行计算,给出了相应的实现流程。讨论了并行算法的负载分配策略,为减少处理器等待初值的时间,对时间步数实施非平均分配。算例表明,并行算法具有好的加速比。

德语词类计算机自动识别

词类识别是自然语言理解和分析的基础。本文应用SNOBOL 模式和模式匹配理论,根据德语词形的屈折变化,研究并实验了德语词类计算机识别的可能性.设计软件的识别正确率超过95%.

一个计算机动画系统

计算机动画可以在屏幕上准确而生动地模拟种种随时间变化的系统过程和物理现象.随着计算机软硬件技术的发展,尤其是 RISC 技术的视频显示的利用与控制的专用芯片的出现.使得计算机动画的技术水平突飞猛进.本文讨论的问题是在普通的