典型隱式CFD求解方法的眾核并行計算.pdf

1、計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）作為一種強有力的計算分析工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天、氣象、船舶、武器裝備等領(lǐng)域。隨著其向高精度、大規(guī)模、高時效方向發(fā)展，對計算與存儲量的需求日益增加，開展高效大規(guī)模并行計算成為必然趨勢。
　　近年來，隨著眾核技術(shù)的不斷發(fā)展，異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)逐漸成為高端超級計算機系統(tǒng)的主流架構(gòu)。與傳統(tǒng)同構(gòu)并行計算機系統(tǒng)相比，異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)兼顧了通用性和能效比，為大

2、規(guī)?？茖W(xué)和工程計算提供了很好的機遇。同時，異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜硬件結(jié)構(gòu)和編程環(huán)境也給包括CFD在內(nèi)的領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)帶來了諸多現(xiàn)實的困難和挑戰(zhàn)。
　　本文以一個有限體積的CFD實際應(yīng)用為背景，在圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU）和英特爾集成眾核（Many Integrated Core，MIC）兩種主流眾核處理器架構(gòu)上開展了典型隱式CFD求解方法的并行算法和優(yōu)化方法研究。主要工作包括：
　　

3、(1)詳細(xì)介紹了兩種主流眾核處理器架構(gòu)特點和編程環(huán)境，總結(jié)了各自的性能優(yōu)化方法，從硬件和軟件兩個方面對比分析了兩者的異同，并根據(jù)自身的經(jīng)驗，給出了兩種架構(gòu)編程和優(yōu)化的學(xué)習(xí)曲線。
　　(2)對ADI、JACOBI等隱式CFD求解方法基本原理、CFD計算流程、計算數(shù)據(jù)依賴關(guān)系等進行了深入分析，結(jié)合GPU眾核體系結(jié)構(gòu)和并行編程模型特點，提出了基于網(wǎng)格點并行和基于網(wǎng)格線并行的GPU并行算法；對實際CFD應(yīng)用場景下的ADI和JACOBI方法

4、進行了GPU并行算法設(shè)計、實現(xiàn)與性能優(yōu)化，并采用不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格真實算例進行了并行性能測試與分析。結(jié)果顯示：在200萬規(guī)模的單區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，ADI和JACOBI求解方法的GPU（NVIDIA Tesla M2050）并行分別取得了10.3倍和14.25倍的加速比（相對于Intel Xeon X5670單核）；相對而言JACOBI迭代求解方法體現(xiàn)出了較好的GPU并行計算性能。
　　(3)基于LIKWID性能分析工具，對MIC眾核架

5、構(gòu)下LU-SGS、ADI、JACOBI的OpenMP并行性能進行了深入分析，提出了基于微體系架構(gòu)硬件指標(biāo)的優(yōu)化方法，有助于深入理解眾核架構(gòu)下Cache、SIMD等對應(yīng)用性能的影響。針對JACOBI方法，MIC性能優(yōu)化在理想和真實場景下取得加速性能差異，借助性能分析工具—LIKWID，通過收集和分析程序執(zhí)行中的硬件指標(biāo)，對不同場景下這種加速性能差異進行了比較研究與合理性解釋。測試結(jié)果表明：在單區(qū)200萬網(wǎng)格規(guī)模下，JACOBI方法相對于C