高效率FDTD網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算研究.pdf

1、自1966年，K.S.Yee首次提出時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)以來(lái)，F(xiàn)DTD法由于其原理簡(jiǎn)潔且容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于各種電磁計(jì)算領(lǐng)域。但由于FDTD的離散需要滿足Courant穩(wěn)定條件和一定的精度保證，這使得FDTD法在解決電大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體問題的時(shí)候需劃分?jǐn)?shù)量龐大的網(wǎng)格，帶來(lái)計(jì)算耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足的難題，這已成為限制了FDTD算法在電磁數(shù)值計(jì)算應(yīng)用中的主要瓶頸。

2、 隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。將個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)高速以太網(wǎng)連接而組成的網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算機(jī)(又稱為Beowulf系統(tǒng))由于其擴(kuò)展性好，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越被廣泛用到各種并行計(jì)算領(lǐng)域。 FDTD結(jié)合網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)，可將大規(guī)模的計(jì)算分割成小塊分配給計(jì)算機(jī)分別處理，既解決了大內(nèi)存的需要又縮短了計(jì)算時(shí)間，從而為運(yùn)用FDTD方法進(jìn)行電大尺寸復(fù)雜電磁問題數(shù)值模擬計(jì)算提供了一條有效

3、的途徑。FDTD網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算現(xiàn)已成為電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)階段已有的網(wǎng)絡(luò)并行FDTD算法，往往隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)的增多，并行效率下降很快，這嚴(yán)重制約并行FDTD的實(shí)際工程應(yīng)用。因此提高并行效率已成為FDTD并行計(jì)算研究的當(dāng)務(wù)之急。 本文采用Visual Fortran編程語(yǔ)言編寫了三維FDTD通用計(jì)算程序，該程序采用了PML(Perfect Matched Layer)吸收邊界條件和總場(chǎng)/散射場(chǎng)體系，可通過(guò)設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行

4、目標(biāo)建模，實(shí)現(xiàn)各種電磁散射仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)一金屬圓柱體的電磁散射模擬，證明了該程序的正確性。 采用MPI(Message Passing Interface)并行函數(shù)庫(kù)，對(duì)FDTD并行計(jì)算中的關(guān)鍵步驟如區(qū)域分割、負(fù)載平衡、進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)組操作、自定義數(shù)據(jù)類型、通信函數(shù)的選取等進(jìn)行了分析和優(yōu)化。最后提出了一套FDTD并行計(jì)算方案并基于該方案編寫了三維并行FDTD通用程序。 為了測(cè)試三維并行FDTD通用程