FDTD算法的局域網(wǎng)并行研究.pdf

1、時(shí)域有限差分法（FDTD）在計(jì)算電磁學(xué)中被廣泛的應(yīng)用。FDTD算法公式簡(jiǎn)潔直觀，適合求解各類(lèi)電磁工程問(wèn)題和可視化計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算過(guò)程需要在FDTD網(wǎng)格中遞推求解空間電磁場(chǎng)值，處理大規(guī)模的電磁仿真問(wèn)題為了保證計(jì)算精度和穩(wěn)定條件，需要增加的FDTD的網(wǎng)格量，使計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求龐大，并且求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一般的計(jì)算機(jī)無(wú)法運(yùn)行這樣計(jì)算過(guò)程，這成為了 FDTD應(yīng)用的主要瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)硬件和機(jī)群平臺(tái)的性能提高，高性能的并行計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。本文

2、采用局域網(wǎng)內(nèi)的并行技術(shù)結(jié)合 FDTD算法，以空間區(qū)域剖分策略離散FDTD區(qū)域，同時(shí)FDTD算法本身具有良好的并行性。調(diào)用MPI消息傳遞函數(shù)完成離散計(jì)算區(qū)域邊界電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的通信，使用數(shù)據(jù)收集技術(shù)完成每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算完成后的離散數(shù)據(jù)的主機(jī)輸出，使完整的FDTD區(qū)域在并行機(jī)群系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算求解，并優(yōu)化并行過(guò)程，測(cè)試并行計(jì)算的性能。
　　本文結(jié)合微波實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，并行計(jì)算機(jī)群的搭建分為并行硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)、編程模式三個(gè)部分。硬件

3、基礎(chǔ)為現(xiàn)有的以實(shí)驗(yàn)室路由器建立的局域網(wǎng)環(huán)境和個(gè)人計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)。軟件平臺(tái)主要包括基于MPI消息傳遞策略的并行軟件運(yùn)行平臺(tái)和編程軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)兩個(gè)方面。并行編程模式選擇主從編程模型編寫(xiě)計(jì)算程序代碼，編寫(xiě)和維護(hù)兩部分程序代碼，這樣更適合現(xiàn)有的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得計(jì)算程序的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性增強(qiáng)，更適合后期對(duì)于并行計(jì)算的優(yōu)化。
　　本文提出了利用動(dòng)態(tài)剖分并行區(qū)域策略，按需分配并行系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)計(jì)算量的概念。傳統(tǒng)的優(yōu)化如并行粒度大小或者利用Open

4、MP與MPI結(jié)合實(shí)現(xiàn)兩級(jí)并行的方式都不能從根本上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源的有效利用。動(dòng)態(tài)剖分策略過(guò)程是測(cè)試各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算性能，根據(jù)返回主機(jī)的歸一化的性能指標(biāo)分配計(jì)算量。FDTD程序在并行系統(tǒng)中執(zhí)行前都會(huì)測(cè)試一下性能，每次都是根據(jù)歸一化指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算量分配。
　　另一個(gè)研究?jī)?nèi)容在于并行FDTD技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用指針代替了數(shù)組。傳統(tǒng)參數(shù)使用數(shù)組。數(shù)組定義直觀，聲明簡(jiǎn)單，編程難度小，存在兩個(gè)缺點(diǎn)：聲明數(shù)組空間和初始化的過(guò)程浪費(fèi)計(jì)算資源過(guò)多和數(shù)組確定后經(jīng)