基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法

非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段,随着结构规模的增大,非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法(Woodbury方法)是一类新型高效数值分析方法,此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征,能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下。然而,当前相关研究均基于串行计算模式,并未充分利用计算硬件的并行计算能力。引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速,提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法,该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定3个主要计算部分,随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法,将Woodbury公式的计算过程拆解为6个可并行的计算步,对各单元状态进行单独判定,分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略,实现了算法的全过程并行优化。最后,通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了该方法的准确性和高效性。

一种中心型有限体积孔隙–裂隙渗流求解方法及其OpenMP并行化

为高效求解单相孔隙–裂隙渗流问题,发展一种基于任意网格的三维中心型有限体积渗流求解算法,并对其进行OpenMP并行化。该算法将压力置于单元中心处;使用串联弹簧模型在空间域离散;使用显式差分格式在时间域离散;使用动态松弛求解技术,逐个单元求解。算例研究表明,该算法与有限元相比具有类似的精度,但求解效率更高。OpenMP并行化使得该算法运算速度在CPUi7–3770上可提高至4.0倍,在CPUi7–4770上可提高至4.2倍;两台机器上的并行效率均高达50%以上。

基于MPI/OPENMP混合编程的三维粒子模拟并行优化

针对MPI、OPENMP并行程序各自存在的缺陷,将MPI与OPENMP结合起来,实现了MPI/OPENMP混合并行编程;通过实验对MPI、OPENMP并行程序及MPI/OPENMP混合并行编程进行了分析.实验结果表明:MPI/OPENMP混合并行编程可以大大减少通信量,其效率和加速比均优于纯MPI并行程序,克服了MPI并行程序中因粒子分布不均匀使负载不均衡而导致的程序性能下降的问题,使得可以利用集群中的更多结点来进行计算,缓解了MPI并行程序的通信延迟问题;同时,MPI/OPENMP混合并行编程克服了OPENMP并行程序依赖于单台计算机处理能力和存储空间的问题,大幅度提高了模拟规模.

OpenFoam中多面体网格生成的MPI+OpenMP混合并行方法

网格生成是计算流体力学中非常重要的一环,大规模数值模拟过程中对网格精度要求的提高会导致网格生成所耗的时间增加.文中基于OpenFoam开源软件中的网格生成算法,主要研究多面体网格的并行生成,并提出OpenMP和MPI混合并行的多面体网格生成方法.通过理论分析得到,使用混合并行方法生成相同质量的网格时,混合并行方法生成网格的时间消耗随着线程数量和网格单元数量的增加而减少.3组使用不同求解器的数值模拟实验结果表明,该混合并行方法不但可以保证生成网格的质量---可以正常进行数值计算模拟且模拟结果与原方法相比几乎没有差别,而且生成同样质量与数量网格的耗时最多可以缩短至未使用OpenMP并行方法之耗时的1/4以内.

MPI+OpenMP混合并行编程的分析

简要综述并行计算的思想,并对分布式内存结构和共享式内存结构两种结构的特点进行比较。叙述如何应用Open MP和MPI进行混合编程,以及相应的混合编程模型。通过一个实例,针对多核CPU组成的SMP构架的集群,实现Open MP和MPI混合编程的性能对比和结论分析。

浅层初至波旅行时层析并行算法及在地裂缝调查中的应用

随着浅层地裂缝等地质灾害问题精细探测需求的增大,采用初至波速度层析反演技术,可以提供较高精度的浅层速度场的纵横向异常变化,可为识别地裂缝等地质灾害现象提供依据。通常,在采集参数一定的条件下,其反演成像精度受算法、网格类型和剖分尺度的限制,在网格类型不变的条件下,要提高精度就必须加密正反演计算网格,改进算法,从而实现增量而不减速且高精度的效果。文中利用OpenMP的单机多核并行技术,探讨并实现了初至波层析成像并行算法,其中正演部分使用了改进的旅行时线性插值法,针对原有的按列计算,加入了按行计算,充分考虑到来自各方向的射线,使得计算出的旅行时最小,反演部分使用了能迅速稳定收敛的LSQR法以及正则化技术,通过理论和实际资料测试,其收敛速度快,反演结果较好。同时,在加密采样和缩小网格尺度的条件下,与常规串行算法相比,其运算速度和效率有较大提高,与商业软件比较,其运算效率差异不大,但反演结果的精度和可分辨性较好。

BP算法的多核并行研究及其在枣无损检测的应用

为提高BP神经网络算法的训练速度,针对BP网络训练过程中层间数据传播,权值更新耗时大的问题进行深入分析。基于单机多核CPU系统环境,运用OpenMP并行技术,设计实现多核架构下基于OpenMP的BP并行算法。将该算法应用于基于高光谱图像技术的长枣糖度无损检测中,实验结果表明,与原串行算法相比,并行算法可以保证算法的相对误差较低,取得较好加速比,该算法在不同平台随着核数的增加,加速比也在增加,验证了其可行性、有效性和可扩展性。

一种利用Nystrom离散与FFT快速褶积的散射地震波并行计算方法

利用数值方法解Lippermann-Schwinger(L-S)方程的主要困难在于系数矩阵存储和线性方程组求解.这主要是因为L-S方程的积分部分是一个空间褶积,在离散后将导致一个满秩矩阵,进而形成一个大型或超大型代数方程组.因此,在利用L-S解决地震波散射问题时,一般是利用散射级数法而非数值方法.然而,散射级数法的计算精度和收敛性强烈地依赖于速度扰动的强度,而克服这种依赖性的一个可能的途径就是对现有的数值方法进行改进或是建立新的数值求解方案.在这种思想指导下,首先对L-S方程进行改写,得到一个与原L-S方程等价的积分方程(等价L-S方程).然后,对等价L-S方程进行逐点归一化处理,并利用Nystrom法对经归一化处理的等价L-S方程(归一化等价L-S方程)进行离散,并用FFT计算空间褶积.之所以这样选择是由于归一化等价L-S方程经Nystrom法离散生成的系数阵为一个Toeplitz阵,可利用其Toeplitz性质降低存储空间;而FFT可以将矩矢空间褶积转化为乘积,且积分核部分只要计算一次即可.进一步,为节约正演计算时间,设计了进程级和线程级相结合的MPI+OpenMP并行模式.数值试验表明,与传统的积分方程数值算法相比,利用等价L-S方程、Nystrom离散和FFT快速褶积的计算方案可极大地降低存储需求,进而在保证精度的同时提高计算效率.

并行人工蜂群算法研究

针对人工蜂群算法在处理高维度问题时收敛速度慢的问题,利用Open MP多线程技术和规约机制,并根据已改进的观察蜂来选择雇佣蜂的方式,提出了基于Open MP的并行人工蜂群算法(PCABC)。仿真实验分别在问题维度为100和200下进行来评估算法性能,在4个逻辑处理器环境下,基于静态调度的并行人工蜂群算法的加速比最高可以达到3.95,效率可达98.65%。实验结果表明,PCABC并行人工蜂群算法在处理高维度复杂函数时,收敛速度和算法运行时间都有较大的提升。

适用于任意网格的大规模并行CFD计算框架PHengLEI

针对计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)大规模并行计算的需要,我们设计了适用于任意网格类型的并行计算框架风雷(PHengLEI)软件,同时支持结构网格、非结构网格和重叠网格.为了实现并行通信与网格类型无关且与物理求解器开发者隔离,我们设计了通用的通信模式和一种基于网格块的“三合一”的数据交换模式,即将多块结构网格块、并行分区网格块和结构/非结构网格块间的交界面数据完全标准化为数据底层后,在数据底层统一进行交换,使得数据交换不依赖于网格类型和数据类型,从而实现任意网格类型并行通信模式的统一.作为气动数据生产的“数值风洞”,要求代码将并行隔离至底层,为此针对主流计算机系统的特点,设计了粗粒度MPI/OpenMP混合并行模式,领域专家只需关注求解器开发而无需关注并行通信,在提高可移植性、可扩展性的同时尽可能兼顾封装性.针对大规模并行计算的实际工程需求,设计了并行分区、大规模并行文件存储模式,以缩短前置处理和文件I/O时间.最后,分别基于结构网格、非结构网格和重叠网格,给出了工程应用领域的标模算例,以说明PHengLEI并行计算框架对不同网格类型的适应性.大规模网格测试结果表明,国产定制集群上16.38万核并行效率达83%以上,“天河二号”上近10万核并行效率达95%以上,展现了较好的可扩展性和并行计算效率.

大场景点云文件多核并行批量压缩方法研究

为了减少大场景点云文件无损压缩时间,避免数据处理过程中人工操作造成的时间浪费和输入失误,本文引入LASzip点云无损压缩算法和OpenMP并行编程技术,提出了在单机多核CPU系统环境下基于LASzip的大场景点云文件多核并行批量压缩算法。实验结果显示,与串行算法相比,并行算法在压缩比不变的情况下压缩时间明显下降,取得了很好的加速比。当线程数为8时,压缩和解压缩加速比分别达到4.27和3.99,优化效果显著。

缔合勒让德函数递推快速并行算法

超高阶缔合勒让德函数的计算在地球重力场研究中是影响计算效率的关键因素之一,其计算耗时会随着截断阶数的增加而呈指数上涨。常用的缔合勒让德函数递推算法有标准前向列推法、标准前向行推法、Belikov递推法和跨阶次递推法。为有效提高缔合勒让德函数递推的计算效率,提出利用基于OpenMP的多核并行算法对上述方法进行并行加速,并通过提高数组维度的方法解决了递推运算并行化过程中的不适用问题。实验表明,所提并行算法在保持相同精度的前提下显著提高了缔合勒让德函数递推的计算效率,加速比在3倍以上,最高可达4.6倍。

一种面向多核DSP并行编译的设计与实现

OpenMP支持并行递增开发,已成为目前用于共享内存系统上的一套事实主流并行编程标准.为了在多核DSP上实现对OpenMP的支持,设计了一个对OpenMP程序面向多核DSP的并行编译器,主要工作成果包括翻译器和运行时两部分,翻译器将源文件中的OpenMP指令转换为运行时中的函数调用,运行时提供具体实现.如何设计并行策略将计算任务分配在各个核上是并行编译的核心问题,对应在OpenMP标准中为并行域的概念.编译器通过对并行指令的变换及运行时的支持,实现了主从核的并行执行,对并行编译器的设计具有指导意义.

基于CMP多核集群的混合并行编程技术研究

高性能科学计算(High Performance Science Computing,简称HPC)是验证某些理论和测试计算机系统处理能力的一种有效的实验手段。鉴于目前CMP(Chip Multi-processor)多核集群已变得越来越普及,尝试对由MPI和OpenMP两种不同并行编程技术构成的混合编程模式做一些实验性的研究。通过对程序执行时间和加速比的实验数据分析,可以看出在多核和多节点集群上采用细粒度的混合并行编程方法较单一使用MPI并行编程方法更加合理和高效,也更能体现出系统硬软件的特性与优势。

基于新离散公式和OpenMP优化的有限差分声波数值模拟

有限差分法算法是声波数值模拟算法中最广泛的数值计算方法。该方法具有计算速度快、占用内存相对较小、易于编程实现及模拟精度高等优点。规则网格下的有限差分算法相比于近年来提出的新的有限差分算法计算效率最高,消耗内存最少。然而,引入PML边界,导致常规网格的有限差分离散公式复杂,计算过程需要对计算区域和边界区域进行判断,导致计算效率低。针对这个问题,笔者新推导的离散公式,形式简单,整个模拟区域计算代码一致,可以很好地解决这个问题。OpenMP并行算法,语言简洁和可移植性高,通过结合OpenMP并行算法,对模拟算法进一步优化,可以较大提高数值模拟的计算效率。

多群粒子输运问题在多核集群系统上的混合并行计算

本文分析了非结构网格多群粒子输运Sn方程求解的并行性,拟合多核机群系统的特点,设计了MPI/OpenMP混合程序,针对空间网格点采用区域分解划分,计算结点间基于消息传递MPI编程,每个MPI计算进程在计算过程中碰到关于能群的计算,就生成多个OpenMP线程,计算结点内针对能群进行多线程并行计算。数值测试结果表明,非结构网格上的粒子输运问题的混合并行计算能较好地匹配多核机群系统的硬件结构,具有良好的可扩展性,可以扩展到1024个CPU核。

金字塔模板匹配算法融合NMSFast以及优化研究

图像模板匹配是计算机视觉领域的一项重要任务,它在许多应用中都有广泛的应用。然而,传统的模板匹配算法在大规模图像和复杂场景下存在计算量大、效率低的问题。为了解决这些问题,本文提出融合快速非最大抑制(NMSFast)的金字塔模板匹配算法,提高准确度,并通过特征提取、查表优化、OpenMP并行、量化等技术对其优化,从而提高效率。基于Sobel获取图像的梯度信息,并结合阈值和强度条件来筛选候选特征点以达到特征提取。通过查表创建模板特征和对应搜索图像特征之间的关联关系和缩放因子和旋转角度对应的变换矩阵的索引表。将特征数据进行量化,其转换为更简单的浮点数,对角度图像进行8方向量化,结合阈值过滤无效角度值。以上优化能够减少计算量和存储空间的消耗。OpenMP并行技术对金字塔进行并行分层搜索,将单线程变成多线程,可以提高算法的运行速度。实验结果表明,所提出的金字塔模板匹配算法融合NMSFast算法在大规模图像匹配任务中,运算时间提高51%,精度提高1.7%。

等离子体覆盖金属目标的电磁散射特性

研究复杂等离子体目标电磁散射特性,需要采用高效的数值计算方法。为此,提出了一种分段线性递归卷积时域有限差分(PLRC-FDTD)算法及其在MPI+openMP并行计算模型中的高效实现方法,对不同等离子体参数和入射电磁波参数条件下等离子体覆盖金属目标的电磁散射特性进行了仿真计算。结果表明:当等离子体频率与入射波频率相近时,共振吸收占主导,反射率最低;等离子体层越厚,对电磁波的吸收越明显;对于特定参数的入射电磁波,可通过改变等离子体参数的方法来实现对电磁波的有效吸收,从而实现目标的主动隐身。

锥束CT图像重建算法的快速实现

本文基于锥束CT滤波反投影重建的FDK算法,通过两种算法改进并结合基于共享内存的OpenMP并行技术和代码优化,实现了锥束CT图像的快速重建。基于锥束CT实际投影数据的重建结果表明,图像重建速度得到了较大的提高,断层图像重建质量与FDK原型算法相当。

海量卫星重力梯度观测数据确定地球重力位模型的数值方法

基于空域最小二乘法,对卫星重力梯度数据确定地球重力场中的Cholesky分解法、预条件共轭梯度法以及OpenMP并行算法3种数值方法进行比较与分析。研究表明,在计算机硬件资源有限的情况下,传统的Cholesky分解法已经无法满足求解要求;预条件共轭梯度法的求解效率较之Cholesky分解法有改进,但其以损失小量精度为代价;OpenMP并行算法在不损失求解精度的条件下,可提高求解的效率。