基于MRT-LBM方法的大规模可扩展并行计算研究

在大规模三维复杂流动的数值模拟中,针对具有良好数值稳定性的多弛豫时间模型格子Boltzmann方法(MRT-LBM),并结合大涡模拟湍流模型和曲面边界插值格式,分析了在D3Q19离散速度模型下的网格生成、流场信息初始化和迭代计算3部分的可并行性.采用MPI编程模型,从分布式集群的特点和计算量负载均衡的角度出发,分别提出了适合于大规模分布式集群的网格生成、流场信息初始化和迭代计算的并行算法.该并行算法也能有效适用于D3Q15和D3Q27离散速度模型.通过在国产神威蓝光超级计算机上的测试,分别针对求解问题总体计算规模固定和保持每个计算核中计算量一致的2种情况的并行性能分析,验证了该并行算法在十万计算核的量级下仍具有良好的加速比和可扩展性.

针对三值光学计算机的C语言扩展

为了将三值光学计算机(ternary optical computer,TOC)数据位众多和光学处理器硬件可重构性这两个特点应用于高级语言程序中,提出并实现了针对三值光学计算机的C语言扩充技术.该技术中的用户可见部分包括一组C语言扩充语句和一个用户运算请求文件自动生成软件模块,其中扩充语句采用C语言函数的书写方式,并采用专用字头SZG_;运算请求文件自动生成软件模块将用户在给定界面中送入的运算方式和输入数据自动转换成预先制定的数据文件格式,生成SZG文件.三值光学计算机返回的运算结果会自动保存在与运算请求文件相同的目录下,且文件名由对应的运算请求文件名加后缀R.SZG组成.用户不可见部分包括:对扩充指令的编译进程、SZG文件生成机制、运算请求状况记录进程、运算结果接收进程和三值光学计算机端服务进程.使用该技术,用户不必改变编程习惯,可直接在C语言程序中使用三值光学计算机.该技术已在由PC机和嵌入式系统组成的三值光学计算机模拟环境中进行了实验,实验结果表明,该技术行之有效.

三值光学计算机MPI编程技术在超算集群中的使用

建立MPI程序中三值光学计算机(ternary optical computer,TOC)和CPU在指令级别上协同工作的技术.在该技术中,TOC节点作为服务端,运行等待连接的进程:CPU上运行的MPI进程作为客户端,使用以SHDX为前缀的一类扩充指令来请求与TOC连接.TOC和CPU连接之后,MPI进程将指令级别上的服务要求和数据一并发送给TOC节点,TOC发挥其处理器可构成复合运算器及数据位数众多的优势来处理数据,并将计算结果回送给客户端的MPI进程.该过程实现了CPU在指令级别上调用TOC来协同工作的目的.目前,设定一个超级计算机系统可以融入10个TOC节点,每个TOC节点可以打开8个服务端口,未来的版本可能扩大这两个限制.实验结果证明了该技术的正确性.

基于动态用户融合的云计算架构

云计算是IT产业的第三次变革,已成为互联网信息服务研究的热点,并且各种云计算的产品相继出现.云计算大多采用强数据中心和弱终端的架构模式,建设这种架构的云计算中心,需要大量的资金投入,并配置高速的网络访问环境.目前中国的网络带宽还难以满足这种云计算框架下服务的需求;同时,众多云计算中心的建立也可能在一定程度上造成已有PC设备资源的浪费.提出了一种基于动态用户融合的云计算服务架构,该架构通过将有一定存储能力和计算能力的用户终端动态地融合到数据中心,使得云计算中心的规模能够动态地扩展或收缩,让用户能够为云服务中的其他用户提供服务.基于该框架,设计和实现一个云服务视频点播系统.实验表明,该框架能够在保持云服务质量的同时允许动态扩充云的规模.

云存储中一种基于布局的虚拟磁盘节能调度方法

在云存储中,如何有效地调度用户请求到目标磁盘以实现绿色节能存储是一个热点问题.鉴于云存储对节能调度算法提出的新要求,如请求响应时间敏感与对动态优化的限制等,本文提出了一种基于布局的虚拟磁盘节能调度方法.该方法将磁盘阵列动态划分为工作区与就绪区,以工作区为主向用户分发资源,并以未连接虚拟机的虚拟磁盘为单位,根据实时负载情况对虚拟磁盘布局进行动态优化.实验结果表明,这种方法不仅能够降低磁盘阵列的能耗,而且能够有效地缓解响应时间延长的问题,还能够使虚拟磁盘布局达到更高的负载均衡水平.

多重网格格子Boltzmann方法的并行算法

针对复杂流动数值模拟中的格子Boltzmann方法存在计算网格量大、收敛速度慢的缺点,提出了基于三维几何边界的多重笛卡儿网格并行生成算法,并基于该网格生成方法提出了多重网格并行格子Boltzmann方法(LBM)。该方法结合不同尺度网格间的耦合计算,有效减少了计算网格量,提高了收敛速度;而且测试结果也表明该并行算法具有良好的可扩展性。

三值汉明码检错纠错原理和方法

随着光通信技术的应用和千位三值光学计算机系统研究的推进,确保数据信息免受各种干扰以及系统的可靠运行显得十分重要.该文给出了三值汉明码的一种分组形式,提出了三值汉明码的检错原理和出错位置的确定方法.基于给出的三值汉明码的两个纠错码表,提出了三值汉明码的纠错原理,画出了基于三值光学计算机的三值汉明码检错纠错概念结构图.该工作为三值光学信息的检错纠错奠定了理论基础.

扩展三值纠一检二码原理与设计

本文在三值汉明码一位检错纠错研究工作的基础上,对三值汉明码的检错纠错方法进行进一步研究.给出了扩展三值汉明码的形式,通过对扩展三值汉明码的错误分析获得了一位纠错和二位检错原理,给出了扩展三值汉明码的纠错码表,根据纠错码表提出了一位纠错方法,给出了基于三值光学计算机的扩展三值汉明码检错纠错概念结构图和功能部件,为检错纠错系统的光学设计提供一种途径.

LBM算法在GPU组中的应用

为提高大规模并行计算的并行效率,充分发挥CPU与GPU的功能特点,特别是体现GPU强大的运算能力,提出了用消息传递接口(MPI)将一组GPU连接起来。使GPU通用计算与计算流体力学中的LBM(latticeBoltzmannmethod)算法相结合。根据GPU通用计算与LBM算法的原理,使MPI作为计算分配的机制,CUDA(compute unified device architecture)作为主要的计算执行引擎,建立支持CUDA的GPU集群,在集群上对LBM算法中的D2Q9模型进行二维方腔流数值模拟。实验结果表明,利用GPU组模拟与CPU模拟结果一致,更充分发挥了GPU的计算能力,提高了并行效率。

TOC实验系统中运算器与解码器的同步技术

论述了一种实现百位量级三值光学计算机(TOC)实验系统中光学运算器及光学解码器同步的技术。该技术的原理是以光电传感器感应到的光强度变化来判断光学运算器的一次运算是否完成,若完成则通知光学解码器进行解码。受正在使用的三值光学计算机实验系统已有结构的限制,该技术采用了以光学解码器的控制器为核心、软件控制为主的方案。该方案虽然比纯硬件方案慢,但适合于目前的低速度实验平台,而且便于改进,本身也成为研究三值光学计算机部件间同步技术的一个实验子系统。描述了对当前的三值光学计算机实验平台和软硬件部件所进行的相应改造,实验结果表明了该同步系统的有效性和可靠性。

用于生物分子网络比对的自适应匈牙利贪心混合算法的并行化

生物分子网络比对是生物信息学中一个重要领域,是研究生物现象和生命机理的有效手段,而自适应匈牙利贪心混合算法(AHGA)是其中一个有效的生物分子网络比对算法。但是生物分子网络数据的规模都比较大,而且由于其拥有生物背景,生物分子网络数据具有一些特殊性。为了能够在可以接受的时间范围内获得大规模生物分子网络的比对结果,使用MPI和统一计算架构(CUDA)对自适应混合算法进行了并行化,在比对中充分考虑生物分子网络的生物学意义,对两种方式进行了对比分析,以寻找更合适生物分子网络的比对方法。

基于KVM虚拟化技术的Hadoop架构

本文提出并实现了一种Hadoop与虚拟化技术相结合的模型.该模型将多核计算机虚拟成多节点集群,最大限度地利用计算资源.在实验测试的基础上,通过分析任务在Hadoop环境中的并行机制,弄清计算任务在节点中与核中的分配方式,以达到提高并行效率、降低硬件开销的目的,最后通过对典型应用问题进行计算,从而对本文所提出模型的正确性和有效性进行了验证.

二维不可压缩Navier-Stokes方程的并行谱有限元法求解

针对不可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解过程中的有限元法存在计算网格量大、收敛速度慢的缺点,提出了基于面积坐标的三角网格剖分谱有限元法(TSFEM)并进一步给出了利用OpenMP对其并行化的方法。该算法结合谱方法和有限元法思想,选取具有无限光滑特性的指数函数取代传统有限元法中的多项式函数作为基函数,能够有效减少计算网格数量,提高算法的精度和收敛速度;利用面积坐标便于三角形单元计算的特点,选取三角单元作为计算单元,增强了适用性;在顶盖方腔驱动流问题上对该算法进行验证。实验结果表明,TSFEM较传统有限元法(FEM)无论是收敛速度还是计算效率都有了显著提高。

基于可视化库和信息传递接口云图显示的并行化处理

基于可视化库(VTK)可视化技术的特点,讨论可视化流水线机制和并行程序的基本结构。针对计算流体力学可视化后处理实现的问题,介绍和使用VTK颜色映射算法,并编写对计算流体力学结果数据彩色云图显示的程序。然后为了解决时间开销大的问题,提出了并行显示算法。该算法充分利用VTK任务间的并行性,减少程序运行时间,提高运行效率。最后在多核环境下,对大小不同的文件彩色云图显示的加速比进行了对比分析。实验结果显示了随压力变化的彩色云图,表明基于VTK可视化技术能满足可视化后处理方面的要求,与信息传递接口(MPI)结合能取得很好的并行效果。

分层存储中数据迁移时间的设计

分析了数据迁移时间设计中存在的问题。引入了数学公式来判断存储使用量的变化趋势,由变化趋势、存储系统的传输速率和存储容量来判断迁移时间,这为迁移时间的设计提供了理论方式。同时开发了数据迁移监控器,结合迁移时间制定了相应的迁移策略。在高性能计算的环境下,搭建了两层存储的测试系统,部署了该迁移策略。实验结果表明,迁移时间的设计能实现分层存储中数据及时迁移,并可有效缓解迁移堵塞、提高存储层的使用率。

基于消息传递接口的大规模生物网络比对并行化算法

为有效降低生物网络比对算法的时间复杂度,提出一种基于可扩展的蛋白质相互作用网络比对(SPINAL)算法的消息传递接口(MPI)并行化实现方法。该方法将MPI并行化思想运用在SPINAL算法中,在多核环境中采用并行排序代替算法原本的排序方式,并结合负载均衡策略合理分配任务。实验结果表明,与未使用并行排序以及负载均衡策略相比,该方法在处理大规模生物网络比对时能有效地缩短计算时间,提高运算效率,对于不同组比对数据都有较为稳定的优化保障,具有良好的可扩展性。

基于consR的并行图匹配方法

随着社交网络、生物网络规模的迅速扩大,能够快速、高效地实现对这些网络的匹配、查询等工作已经成为许多应用领域的迫切需求。给定两个网络图,图匹配的过程即为对图G1中的每个节点在图G2中找到唯一一个相对应的最为相似的节点,使得给定的两个图的匹配边的数量最多。文中基于大图匹配方法 consR,进行了两方面的优化:当图的节点数目较少时,优化了图G1、G2的相似性矩阵计算策略,从而使得图匹配的计算更加快捷;当图的节点数目较大时,针对匹配过程中最为耗时的步骤进行并行优化处理。实验结果表明,在与consR方法计算出的匹配结果保持一致的情况下,一定程度上缩短了图匹配计算时间。

三值光学计算机一种限制输入一步式MSD加法器

在已有三值光学MSD加法器研究工作的基础上,对限制输入符号的一步式MSD加法器进行了进一步研究.本文简要介绍了一般一步式MSD加法器的原理,其核心是"中位变换"、中位变换表和对应的中位变换器等概念.通过限制输入符号,得到了简化的2位中位变换表.通过分析这个2位中位变换表,获得了2位中位变换V子变换、U子变换和中位变换器主变换,设计了相应的变换器光路图.在此基础上,根据限制输入一步式MSD加法器原理设计了它的结构.通过对中位变换器和一步式MSD加法器的软件模拟以及实物实验,证明所设计的一步式MSD加法器有效.该加法器将成为三值光学计算机的基本部件之一.

结构量计算机——三值光学计算机的应用特点

本文论证了三值光学计算机用硬件并行计算一个简单结构量的技术,阐述了形成这种强大计算能力的自然根源——三值光电混合处理器具有数据位数众多、按位可重构和加法器无进位过程等天然优势.讨论了如何利用这些优势将三值光学处理器重构成一个众位数复合处理器,使其包含多个不同功能的计算器,以及如何应用复合处理器,在一条操作指令下用硬件处理具有不同数据类型的多个数据.显然,当这些不同类型的数据组成一个结构型数据时,三值光学计算机就展现出在一条指令下处理一个结构量的能力,因此称这种计算机为结构量计算机,并以此来表征它在应用方面的特征.文中详细介绍了应用三值光学计算机计算一个简单结构量的技术概要,包括SZG文件格式、SZG文件的自动生成方式、对高级程序语言的扩充技术等,还举例计算了具有4个不同数据类型项(分量)的结构量,通过分析对1000组这种结构量的计算过程,展示了三值光学计算机在计算结构量方面的强大并行能力.

三值光学计算机双空间存储器的结构和理论

三值光学处理器的数据位数高达数千位,每一位的计算功能都可以按用户要求实时重构,每一位都可分配给不同的任务使用.因此,会有大量数据在三值光学计算机的存储器和光学处理器之间频繁传送.针对这一新问题,利用固态盘兼有非易失性和随机访问性的特点,作者研发了双空间存储系统和内存空间推移技术.本文详细介绍了双空间存储器的理论、构造、管理和使用方法,以及内存空间推移技术的硬件结构、技术原理和推移命令.讨论了利用在双空间存储器中设置的不可闭窗,实现开机后无等待地接续停机前的工作、启动程序无等待和提高系统安全性的新方法.文中描述了在8086系统中设置双空间存储器的结构和实施内存空间推移技术的仿真实验,实验结果证实了这个新理论的正确性和相关技术的有效性.双空间存储器理论和内存空间推移技术不仅满足了三值光学计算机对存储器的需求,而且为构造基于固态盘的计算机新体系结构提供了理论和技术基础.