CPU/GPU协同并行计算研究综述

CPU/GPU异构混合并行系统以其强劲计算能力、高性价比和低能耗等特点成为新型高性能计算平台,但其复杂体系结构为并行计算研究提出了巨大挑战。CPU/GPU协同并行计算属于新兴研究领域,是一个开放的课题。根据所用计算资源的规模将CPU/GPU协同并行计算研究划分为三类,尔后从立项依据、研究内容和研究方法等方面重点介绍了几个混合计算项目,并指出了可进一步研究的方向,以期为领域科学家进行协同并行计算研究提供一定参考。

面向全球数值天气预报模式的加权等积并行数据划分算法

极区计算对全球数值预报模式设计的重要性主要体现在2个方面:模式动力框架中的极区处理和极区并行数据划分带来的并行负载不平衡问题.其中后者是全球数值预报模式大规模并行计算的性能瓶颈,对此提出一种新的基于加权等积的球面数据划分算法.该算法以球带数目和权函数为参数,将南北两极分别划分到单独的子区域,形成极点通区,使从极点到赤道方向每个纬度对应的子区域数目逐渐增多,灵活地实现球面网格的高质量划分.从理论上分析该算法的划分质量后,以基于球谐谱的浅水波模式PSTSWM为实验平台,验证了提出的划分算法具有很好的并行划分性能以及可扩展性.结合我国自主设计的GRAPES全球模式,展望了该算法的应用前景.

WRF三维变分同化并行程序性能分析

并行程序性能分析在科学计算程序设计和优化中发挥着重要作用,通过它可以了解并行程序运行效率,分析计算瓶颈,从而改进和优化程序设计,更好地发挥高性能计算机效能。本文介绍了WRF三维变分同化原理和并行策略,采用性能分析工具TAU对WRF三维变分同化并行程序运行效率进行了量化分析,确定了程序的计算热点和瓶颈,并提出了相应的优化方案。

OVALS海洋资料同化系统并行计算研究

海洋数值预报技术的发展与高性能计算密切相关。为提高OVALS海洋资料同化系统的时效性,本文实现了OVALS系统的并行化。在温盐资料同化模块并行化过程中,本文提出了层优先处理器划分算法,并研究了基于该算法的并行I/O、全局通讯等实现方法;在高度计资料同化模块并行化过程中,设计实现了基于预处理的非规则区域分解算法,较好地实现了OVALS并行计算负载平衡。数值实验表明,OVALS并行系统在36并行规模下取得了17.45的并行加速比。

基于带权图的层次化社区并行计算方法

提出了一种基于带权图并行分解的层次化社区发现方法,该方法采用图划分的方式定义社区结构,并在这种社区结构之上实现了社会网络社区发现并行算法P-SNCD(parallel social network community discovery).P-SNCD算法有效地避免了传统的基于"模块度"的社区发现方法倾向于发现相似规模社区的弊端.同时,该算法能够以可扩展的方式,在处理器规模为O(hmn)或O(hn2)的条件下,以并行计算时间复杂度为O(logn)高效地挖掘大规模复杂社会网络中社区密度为h的社区,其中,n为社会网络节点数,m为边数,h为用户指定的任意社区密度.所提出的算法对用户参数输入要求简单,从而使得算法具有较强的实用性.充分的实验数据验证了所提出算法的精确性和高效性.

基于线程的MPI通信加速器技术研究

为了针对多核系统构建更高效的MPI支撑环境,文中提出了一种基于线程的MPI加速器,称作MPIActor.MPIActor是一种用于协助传统MPI库的透明中间件,用户可以在编译期选择是否在单线程MPI程序中采用该中间件.加入MPIActor后,每个节点内的MPI进程都被映射成同一进程中的多个线程,从而节点内的通信可通过轻量级的线程通信机制实现.作者给出了MPIActor的基本设计,详细阐述了其工作机制、通信体系结构及关键技术,并在真实系统上分别针对MVAPICH2和OpenMPI并行环境利用OSU LATENCY基准测试进行了性能评测.实验结果表明在两种MPI环境上进行节点内8 KB^4 MB数据通信时MPIActor都能使通信性能平均提高一倍左右.

一种可重复使用天地往返升力体飞行器概念及其气动布局优化设计研究

通过调研和梳理国内外可重复使用天地往返运输系统的方案、任务剖面、气动布局、气动特点以及飞行性能等发展情况,综合使用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种具有较好的继承性和可持续自主创新发展的新型的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1)。通过对其进行全速域的升阻特性、压心与质心布置、稳定性分析等,全面掌握了该升力体布局的气动特性。通过对该布局控制舵的匹配设计,研究了飞行器的操纵效率问题。通过多目标优化设计的思想,发展和完善了多目标优化计算方法和软件。针对本文提出的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1),开展了考虑气动力/气动热综合的多目标优化,获得了性能较优的优化布局。研究表明,该新型气动布局概念具有较大的高超声速配平升阻比、较好的减速特性、可接受的气动热环境、较好的高超声速稳定性和气动控制效率,可以作为未来可重复使用天地往返飞行器的潜在可行方案。在综合性能上,通过本文发展的多目标优化软件优化获得的一系列气动布局方案较初始气动布局,在所关注的方面均有显著的改进,可作为一系列备选方案供设计者选择。

非平衡进程到达模式下MPI广播的性能优化方法

为了提高非平衡进程到达(unbalanced process arrival,简称UPA)模式下MPI广播的性能,对UPA模式下的广播问题进行了理论分析,证明了在多核集群环境中通过节点内多个MPI进程的竞争可以有效减少UPA对MPI广播性能的影响,并在此基础上提出了一种新的优化方法,即竞争式流水化方法(competitive and pipelined method,简称CP).CP方法通过一种节点内进程竞争机制在广播过程中尽早启动节点间通信,经该方法优化的广播算法利用共享内存在节点内通信,利用由竞争机制产生的引导进程执行原算法在节点间通信.并且,该方法使节点间通信和节点内通信以流水方式重叠执行,能够有效利用集群系统各节点的多核优势,减少了MPI广播受UPA的影响,提高了性能.为了验证CP方法的有效性,基于此方法优化了3种典型的MPI广播算法,分别适用于不同消息长度的广播.在真实系统中,通过微基准测试和两个实际的应用程序对CP广播进行了性能评价,结果表明,该方法能够有效地提高传统广播算法在UPA模式下的性能.在应用程序的负载测试实验结果中,CP广播的性能较流水化广播的性能提高约16%,较MVAPICH21.2中广播的性能提高18%～24%.

网格之星:国家数值风洞的通用型结构网格生成软件

结构网格具有边界层模拟准确、计算效率高等优势,在当前的计算流体力学(CFD)研究和工程应用中被大量采用。然而,复杂外形的结构网格生成非常耗时,通常需要在图形化软件上借助频繁的交互操作来实现,对CFD研究和应用产生了重要影响。针对此问题,提出了附面层推进、网格块自动补齐、网格分布快速调整、破损数模网格优化等网格生成加速技术。依托国家数值风洞工程,研发出一款通用型结构网格生成软件——网格之星(NNW-GridStar)。与主流商业软件Pointwise相比,网格之星的网格生成速度更快。经过大量复杂算例验证,网格之星满足工程应用要求。自软件发布以来,已有80余家科研院所下载使用,为实际工程任务提供了重要的支撑作用。

基于网格框架的结构网格自动重构技术

针对气动弹性等多学科耦合计算过程中出现的外形剧烈变化情况,提出了一种基于网格框架的多块结构网格自动重构技术,基本思想是:首先提取多块分区结构网格的网格框架,然后借助其它学科计算得到的物面变形信息以及拟合样条曲线来重构框架线,最后利用更新的框架线自动生成变形网格。该方法已被应用到某翼身组合体外形的气动弹性计算。

旋翼翼型气动设计与评估软件HRADesign

HRADesign系统作为通用旋翼翼型气动设计和评估系统,研制目的主要是为工业设计环境提供通用、高效、鲁棒的优化设计架构,应用于各类旋翼翼型族的设计,提高旋翼翼型设计的效率和精度,以满足先进直升机对高性能旋翼翼型的迫切需求。旋翼翼型设计技术是直升机旋翼设计的核心技术,旋翼翼型的优化设计具有多点、多目标、强约束的特点。HRADesign系统针对旋翼翼型设计的特点,发展了多目标进化算法、PCA多目标降维技术、Kriging代理模型、基于CST方法的翼型参数化技术以及高精度CFD等优化设计技术,构建了基于进化算法的多目标优化流程。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块以及多目标优化流程,展现了系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。通过ADODG基准测试算例、某厚度旋翼翼型常规多目标优化算例和考虑多目标降维的优化算例进行了系统功能验证,优化结果表明,在满足约束的条件下,优化后的旋翼翼型和基准翼型相比,综合性能都有明显改善,验证了优化设计系统的有效性、可靠性。

基于工作流的多学科优化设计框架研究

多学科优化设计框架在飞行器外形设计领域发挥着至关重要的作用。针对国内缺少自主MDO框架的状况,基于工作流技术开发出一款MDO框架软件。该软件完全遵循软件工程思想,集成了多个学科分析工具链和多套优化算法,支持本地/集群模式的学科分析计算,并借助数据库实现了数据的持久性存储。针对某飞行器进行了多目标多学科的优化设计实践,结果表明该框架具有较高的自动化程度和良好的通用性。

高瓦斯突出矿井巷道布置与施工

介绍了大淑村矿高瓦斯野青煤层和瓦斯突出煤层的巷道布置、施工方法,实践证明,在高瓦斯煤层布置抽放钻场和抽放钻孔,采取边掘边抽措施,是防止瓦斯超限的有效途径。

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中,高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度,但结构网格的几何适应性差,针对复杂边界的二维计算模型,现有的方法很难自动生成高质量的结构网格;而非结构网格几何适应性很好,但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法,能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格;然后利用背景网格,使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格;最后,通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明,提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格,并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比,证明准结构网格具有高计算精度。

快速球谐函数展开的并行算法设计及实现

球谐函数展开是一种广泛应用的数学方法.在研究Rokhlin-Tygert球谐函数展开快速算法(RT算法)的基础上,扩充并完善了RT算法,建立了所有阶连带Legendre多项式展开系数的计算过程,进而研究了该算法的MPI并行策略并给出了RT并行算法.数值实验表明,RT算法的计算量随三角截断波数的增大而急剧增长;MPI并行技术能够有效提高其运算速度,较好地提升算法的整体性能,但并行效率会受多核处理器cache大小和访存带宽的限制.

压气机叶片优化设计软件研发

结合用户需求和发展趋势,设计了一种全新的航空发动机压气机叶片优化设计软件;基于数模参数化生成的方法,实现了航空发动机压气机叶片叶型造型参数化,软件以遗传算法为基础,对航空发动机压气机叶片进行了优化设计性能仿真;性能仿真结果以图、表等多种方式直观表达,结果保存于数据库,增强了数据安全性,完整性;可视化界面及支撑数据库,提高了软件的易用性和人机交互性。经过各方验证仿真优化设计结果稳定准确,表明所研发软件高效可用。

高校阶梯教室噪声环境的调查与分析——以广西大学为例

高校环境的声质量与教学活动密切相关,通过对广西大学的阶梯教室的声环境开展问卷调查,并对调研结果进行分析研究,以探讨营造这类教室室内良好声环境的方法与途径,旨在为教室的设计和改造提供第一手声学资料和分析结果。

高瓦斯及瓦斯突出矿井巷道布置与施工

通过分析大淑村矿高瓦斯煤层—4#野青煤层和瓦斯突出煤层—2#大煤层巷道布置和施工,总结出一套适合高瓦斯及瓦斯突出煤层的采掘施工方法,可为相似矿井施工提供参考。

量子计算及其在空气动力学中的应用前景

量子计算是最重要的后摩尔计算技术之一,拥有经典计算机无可比拟的超强计算能力,未来能够对各行业应用产生颠覆性的影响。针对量子计算给空气动力学带来的机遇和挑战,详细综述了量子计算机、量子算法、量子底层软件栈等方面的研究进展。结合空气动力学领域常用的基础方法,在综述量子计算线性方程组求解、插值操作、数值积分、优化搜索等最新进展的基础上,结合典型量子算法深入分析了量子计算在空气动力学领域的应用前景,并指出了需要重点关注的研究方向。