CUDA架构下激光间接驱动辐射对称性高效并行分析算法研究
发布时间：2020-12-27 15:02
激光间接驱动惯性约束聚变（ICF）是实现受控热核聚变的重要方法之一，已成为各个国家的重点研究领域。数值模拟惯性约束聚变的实验过程，可以提高实验效率。间接驱动辐射对称性是判断实验过程中内爆点火是否成功的一个关键指标。为满足对称性分析中更高的精度要求，需要对靶表面进行密集的网格划分，从而导致数值模拟过程耗时较长。本文对如何准确、高效地实现激光间接驱动辐射对称性分析进行了研究。对称性分析需先对靶表面进行网格离散，然后建立能量平衡模型进行求解。为了达到较高的计算精度，网格划分往往较为密集，从而导致能量平衡模型规模巨大，CPU串行求解耗时较长。针对这一问题，本文提出了CUDA架构下的雅克比迭代并行算法，通过网格单元辐射能流的雅克比迭代求解过程到GPU各运算线程的映射，实现了能量平衡模型的高效求解。同时，在能量平衡模型构建过程中，视角因子的计算次数较多，利用GPU多处理器的协同求解技术，实现了视角因子的快速计算，加速了模型的构建。为了验证并行算法的效率和准确性，选择了几个典型的神光装置靶模型案例进行分析。通过与CPU计算结果对比，当网格离散规模达到106时，加速比高达1000以上，同时，GPU相对...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ICF辐射驱动示意图
图 1-2 不同靶腔长度下内爆对称性调节示意图激光间接驱动靶丸内爆是一个复杂的物理过程，辐射对称性更好的理解激光辐照过程，挖掘和解释实验规律，为点火实经过多年研究，形成了大规模数值模拟软件包 LARED，其靶腔耦合辐射）、LARED-S（模拟压缩氘氚靶丸的热核反了很好的作用。数值模拟软件包都是针对内爆复杂物理过程中某个特定的程化，无法系统地分析研究；而且，这些软件包虽然能得到接可视化，交互性能很差，这就不方便科研人员直接对实验性收到了较大的影响。激光简介驱动 ICF 靶丸内爆点火过程中，一个关键的问题就分析 X 射线辐射均匀性。对靶腔和靶丸之间的辐射能量交前使用较为成熟且简单有效的方法。视角因子的物理含义是的能量中能够直接到达另一个表面的份额，反映了相互辐射
一计算设备架构)。CUDA 架构与以往 GPU 架构相比，有两项显著的改进：（1）采用了统一的处理架构，使得通用计算的程序能够对芯片上的每个算数逻辑单元（ArithmeticLogic Unit，ALU）进行排列，并保证了这些 ALU 满足单精度浮点数学运算的需求；（2）引入了共享存储器，支持读写和线程间通信。此外，开发人员不需要借助图形学 API，可采用类 C 语言进行开发。CUDA 架构的这些功能使得 GPU 不仅能执行传统的图形计算，还能高效地执行通用计算。近年来，GPU 更注重于计算密集、高并行性的图形显示，设计目标是大规模数据吞吐量及其并行计算[26]。而 CPU 则需要兼顾数据计算、逻辑运算以及计算任务和资源调配等工作。这决定了 GPU 的结构设计不同于 CPU，如图 1-3 所示，GPU 没有复杂的缓存体系和逻辑控制机制，芯片上大部分晶体管用于计算用途的算数逻辑单元，拥有成百上千个流处理器（Streaming Processor，SP）以适应大规模并行计算，而 CPU 将大量晶体管用作控制单元和缓存，当前主流的 CPU 一般仅有 2-8 个核心。因此，GPU 浮点计算能力与带宽相对同时期的 CPU 有明显的优势，见图 1-4。
【参考文献】：
期刊论文
[1]间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究[J]. 黎航,蒲昱东,景龙飞,林雉伟,陈伯伦,蒋炜,周近宇,黄天晅,张海鹰,于瑞珍,张继彦,缪文勇,郑志坚,曹柱荣,杨家敏,刘慎业,江少恩,丁永坤,况龙钰,胡广月,郑坚. 物理学报. 2013(22)
[2]CUDA架构下的靶丸辐射能流并行计算[J]. 赵权,黄运保,孙宇航. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(07)
[3]基于CUDA架构矩阵乘法的研究[J]. 马梦琦,刘羽,曾胜田. 微型机与应用. 2011(24)
[4]神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响[J]. 景龙飞,黄天晅,陈伯伦,苏明,余波,蒋炜,蒲昱东,晏骥. 强激光与粒子束. 2011(09)
[5]基于光路追踪法的激光能量沉积并行计算[J]. 吕信,莫则尧. 计算机工程与科学. 2011(03)
[6]视角因子方法在间接驱动ICF中的应用[J]. 周近宇,黄天晅,蒙林,蒋炜,黎航,张海鹰. 强激光与粒子束. 2010(05)
[7]我国激光惯性约束聚变实验研究进展[J]. 江少恩,丁永坤,缪文勇,刘慎业,郑志坚,张保汉,张继彦,黄天晅,李三伟,陈家斌,蒋小华,易荣清,杨国洪,杨家敏,胡昕,曹柱荣,黄翼翔. 中国科学(G辑:物理学 力学 天文学). 2009(11)
[8]一种基于GPU硬件加速计算的辐射度实现方法[J]. 胡伟,秦开怀. 计算机研究与发展. 2005(06)
[9]三维激光烧蚀流体界面不稳定性程序的并行化[J]. 左风丽,莫则尧,叶文华. 数值计算与计算机应用. 2005(01)
[10]基于图形处理器(GPU)的通用计算[J]. 吴恩华,柳有权. 计算机辅助设计与图形学学报. 2004(05)
博士论文
[1]黑腔X光辐射的模型分析及辐射温度的实验研究[D]. 黄天晅.中国工程物理研究院 2001
硕士论文
[1]ICF辐射驱动对称性分析及三维可视化研究[D]. 景龙飞.中国工程物理研究院 2012
[2]边界元系统方程的GPU并行求解算法研究[D]. 王钢.华中科技大学 2012
[3]基于GPU的光线跟踪算法研究与实现[D]. 兰青.湖南大学 2009
本文编号：2941956
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ICF辐射驱动示意图
图 1-2 不同靶腔长度下内爆对称性调节示意图激光间接驱动靶丸内爆是一个复杂的物理过程，辐射对称性更好的理解激光辐照过程，挖掘和解释实验规律，为点火实经过多年研究，形成了大规模数值模拟软件包 LARED，其靶腔耦合辐射）、LARED-S（模拟压缩氘氚靶丸的热核反了很好的作用。数值模拟软件包都是针对内爆复杂物理过程中某个特定的程化，无法系统地分析研究；而且，这些软件包虽然能得到接可视化，交互性能很差，这就不方便科研人员直接对实验性收到了较大的影响。激光简介驱动 ICF 靶丸内爆点火过程中，一个关键的问题就分析 X 射线辐射均匀性。对靶腔和靶丸之间的辐射能量交前使用较为成熟且简单有效的方法。视角因子的物理含义是的能量中能够直接到达另一个表面的份额，反映了相互辐射
一计算设备架构)。CUDA 架构与以往 GPU 架构相比，有两项显著的改进：（1）采用了统一的处理架构，使得通用计算的程序能够对芯片上的每个算数逻辑单元（ArithmeticLogic Unit，ALU）进行排列，并保证了这些 ALU 满足单精度浮点数学运算的需求；（2）引入了共享存储器，支持读写和线程间通信。此外，开发人员不需要借助图形学 API，可采用类 C 语言进行开发。CUDA 架构的这些功能使得 GPU 不仅能执行传统的图形计算，还能高效地执行通用计算。近年来，GPU 更注重于计算密集、高并行性的图形显示，设计目标是大规模数据吞吐量及其并行计算[26]。而 CPU 则需要兼顾数据计算、逻辑运算以及计算任务和资源调配等工作。这决定了 GPU 的结构设计不同于 CPU，如图 1-3 所示，GPU 没有复杂的缓存体系和逻辑控制机制，芯片上大部分晶体管用于计算用途的算数逻辑单元，拥有成百上千个流处理器（Streaming Processor，SP）以适应大规模并行计算，而 CPU 将大量晶体管用作控制单元和缓存，当前主流的 CPU 一般仅有 2-8 个核心。因此，GPU 浮点计算能力与带宽相对同时期的 CPU 有明显的优势，见图 1-4。
【参考文献】：
期刊论文
[1]间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究[J]. 黎航,蒲昱东,景龙飞,林雉伟,陈伯伦,蒋炜,周近宇,黄天晅,张海鹰,于瑞珍,张继彦,缪文勇,郑志坚,曹柱荣,杨家敏,刘慎业,江少恩,丁永坤,况龙钰,胡广月,郑坚. 物理学报. 2013(22)
[2]CUDA架构下的靶丸辐射能流并行计算[J]. 赵权,黄运保,孙宇航. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(07)
[3]基于CUDA架构矩阵乘法的研究[J]. 马梦琦,刘羽,曾胜田. 微型机与应用. 2011(24)
[4]神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响[J]. 景龙飞,黄天晅,陈伯伦,苏明,余波,蒋炜,蒲昱东,晏骥. 强激光与粒子束. 2011(09)
[5]基于光路追踪法的激光能量沉积并行计算[J]. 吕信,莫则尧. 计算机工程与科学. 2011(03)
[6]视角因子方法在间接驱动ICF中的应用[J]. 周近宇,黄天晅,蒙林,蒋炜,黎航,张海鹰. 强激光与粒子束. 2010(05)
[7]我国激光惯性约束聚变实验研究进展[J]. 江少恩,丁永坤,缪文勇,刘慎业,郑志坚,张保汉,张继彦,黄天晅,李三伟,陈家斌,蒋小华,易荣清,杨国洪,杨家敏,胡昕,曹柱荣,黄翼翔. 中国科学(G辑:物理学 力学 天文学). 2009(11)
[8]一种基于GPU硬件加速计算的辐射度实现方法[J]. 胡伟,秦开怀. 计算机研究与发展. 2005(06)
[9]三维激光烧蚀流体界面不稳定性程序的并行化[J]. 左风丽,莫则尧,叶文华. 数值计算与计算机应用. 2005(01)
[10]基于图形处理器(GPU)的通用计算[J]. 吴恩华,柳有权. 计算机辅助设计与图形学学报. 2004(05)
博士论文
[1]黑腔X光辐射的模型分析及辐射温度的实验研究[D]. 黄天晅.中国工程物理研究院 2001
硕士论文
[1]ICF辐射驱动对称性分析及三维可视化研究[D]. 景龙飞.中国工程物理研究院 2012
[2]边界元系统方程的GPU并行求解算法研究[D]. 王钢.华中科技大学 2012
[3]基于GPU的光线跟踪算法研究与实现[D]. 兰青.湖南大学 2009
本文编号：2941956
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/2941956.html
