基于GPU集群的PIC方法并行加速研究

发布时间：2022-07-07 11:19

　　快点火是引发核聚变反应的一种最新方法，而PIC粒子模拟法以其良好的准确度和较好的性价比，近年来被广泛应用于模拟此类流体力学问题。本次研究，基于激光快点火的PIC模拟程序，使用以英伟达CUDA为核心的并行计算方法，对PIC程序进行了并行加速，并进一步调整优化。在基于英特尔CPU和英伟达GPU异构架构的工作站上，加速热点函数取得了超过10倍的加速比，程序整体取得了约为4倍的加速比。本次研究中，使用多种方式进行程序剖析，以负载均衡理论为依据确定优化目标，取得良好效果。此外，本次研究使用重构属性数组、原子操作、转移数组等方式，解决了并行化过程中链表元素前后依赖、多线程竞写、数据传输开销大等主要困难，对此类问题的处理和解决有着普遍的借鉴意义。 

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
图录
第一章 绪论
    1.1 物理背景
        1.1.1 核聚变传统点火方式
        1.1.2 快点火方式
        1.1.3 粒子模拟方法
    1.2 并行计算在科学计算中的应用
    1.3 目前存在的问题
    1.4 研究内容及工作
    1.5 论文内容
第二章 相关理论技术
    2.1 并行计算发展
    2.2 GPGPU
    2.3 CUDA架构
        2.3.1 统一计算设备架构CUDA
        2.3.2 新一代Kepler架构
    2.4 超级计算机
        2.4.1 超级计算机发展
        2.4.2 超级计算机π
    2.5 本章小结
第三章 PIC程序分析
    3.1 PIC程序介绍
        3.1.1 环境变量
        3.1.2 主循环
        3.1.3 碰撞函数coulomb_collision
        3.1.4 转移函数Mover
        3.1.5 电场函数Fields
        3.1.6 调整函数Diagnosis
    3.2 程序剖析
        3.2.1 剖析工具
    3.3 剖析结果分析
    3.4 本章小结
第四章 程序并行加速
    4.1 负载均衡
        4.1.1 负载平衡的评价指标
        4.1.2 负载均衡和加速比
        4.1.3 Amdahl 定律
        4.1.4 优化策略
    4.2 热点函数并行化
        4.2.1 coulomb_collision函数并行化
        4.2.2 Mover函数并行化
    4.3 优化数据传输
        4.3.1 数据传输现状
        4.3.2 Diagnosis函数迁移
        4.3.3 Fields_origin函数迁移
    4.4 本章小结
第五章 实验结果及分析
    5.1 实验平台介绍
    5.2 正确性分析
    5.3 性能分析
    5.4 本章小结
第六章 结束语
    6.1 论文主要工作
        6.1.1 PIC串行程序分析
        6.1.2 并行及调优工作
        6.1.3 实验数据
    6.2 未来工作展望
        6.2.1 进一步优化
        6.2.2 针对平台的优化
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]快粒子在聚变等离子体中的慢化及能量增益研究[J]. 罗正明,滕礼坚.  物理学报. 1982(09)



本文编号：3656328