基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的并行矩量法關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用.pdf

1、電磁散射和輻射特性分析對(duì)于飛機(jī)、衛(wèi)星、艦船等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義，但系統(tǒng)級(jí)電磁問題的高精度仿真需要巨大的存儲(chǔ)量和計(jì)算量，因此長(zhǎng)期以來(lái)都是電磁仿真計(jì)算領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性課題。幸運(yùn)的是，國(guó)內(nèi)高效能超級(jí)計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展為預(yù)警指揮飛機(jī)等國(guó)家重大戰(zhàn)略工程的電磁模擬提供了強(qiáng)有力支撐。為此，本文在矩量法的基礎(chǔ)上利用大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)來(lái)提高電磁計(jì)算能力并加速計(jì)算過程，并將其應(yīng)用于大型陣列天線輻射特性分析、預(yù)警指揮飛機(jī)的雷達(dá)天線布局和基站電磁污染評(píng)估等重

2、要工程領(lǐng)域。
　　本文深入研究了RWG基函數(shù)矩量法和高階基函數(shù)矩量法的關(guān)鍵理論，并根據(jù)算法特征，討論了矩量法的矩陣分布方案、矩陣并行填充方案、矩陣方程并行求解方案以及并行核外方案。同時(shí)詳細(xì)分析了RWG基函數(shù)矩量法并行化過程中引入的進(jìn)程問冗余積分計(jì)算，提出了通過優(yōu)化網(wǎng)格編號(hào)消除進(jìn)程間冗余積分的方案，并通過實(shí)例測(cè)試驗(yàn)證了這一方案的高效性。
　　為充分發(fā)揮并行矩量法的矩陣方程求解性能，對(duì)矩陣分塊大小、進(jìn)程網(wǎng)格、內(nèi)存緩沖區(qū)大小這三個(gè)

3、影響并行LU分解性能的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選取，給出了在未經(jīng)測(cè)試時(shí)三個(gè)參數(shù)的一般選取準(zhǔn)則。同時(shí)分析了固態(tài)硬盤對(duì)核外求解器的加速效果。在此基礎(chǔ)上，在通用計(jì)算平臺(tái)和國(guó)產(chǎn)計(jì)算平臺(tái)中對(duì)高階基函數(shù)矩量法的并行性能進(jìn)行了測(cè)試分析。在西安電子科技大學(xué)高性能計(jì)算集群系統(tǒng)中的并行規(guī)模達(dá)到2400 CPU核，以360 CPU核為基準(zhǔn)，2400 CPU核時(shí)的并行效率約為65％。在上海超級(jí)計(jì)算中心的“魔方”超級(jí)計(jì)算機(jī)中的并行規(guī)模達(dá)到4096 CPU核，以512

4、CPU核為基準(zhǔn)，4096 CPU核時(shí)的并行效率高于50％。在廣州超級(jí)計(jì)算中心的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)中的并行規(guī)模達(dá)到12000 CPU核，以600 CPU核為基準(zhǔn)，12000 CPU核的并行效率高于65％。在國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心的國(guó)產(chǎn)“神威藍(lán)光”超級(jí)計(jì)算機(jī)中的并行規(guī)模高達(dá)102400CPU核，以320 CPU核為基準(zhǔn)，10240 CPU核的并行效率約為55％，以1536 CPU核為基準(zhǔn)，102400 CPU核的并行效率高于45％。通過測(cè)

5、試分析給出了這四個(gè)計(jì)算平臺(tái)中充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)性能的內(nèi)存使用率范圍。值得指出，根據(jù)2015年5月的查新報(bào)告顯示，這是國(guó)際上最大并行規(guī)模的國(guó)產(chǎn)電磁仿真應(yīng)用。
　　在并行矩量法的工程實(shí)例中，本文利用并行高階基函數(shù)矩量法的核內(nèi)求解器與核外求解器分析了機(jī)載雷達(dá)天線布局、大型雷達(dá)陣列輻射特性、移動(dòng)基站電磁輻射等復(fù)雜電磁問題。作為核內(nèi)求解器的工程實(shí)例，針對(duì)平衡木式機(jī)載雷達(dá)相控陣布局問題，分析了相控陣安裝在飛機(jī)平臺(tái)不同位置以及主波束在水平面和俯仰面

6、相位掃描時(shí)的受擾輻射特性;針對(duì)圓盤式機(jī)載八木陣列布局問題，分析了八木陣列安裝在飛機(jī)平臺(tái)不同高度以及主波束指向機(jī)頭、機(jī)翼、機(jī)尾時(shí)的受擾輻射特性。作為核外求解器的工程實(shí)例，分析了大型波導(dǎo)縫隙陣和大型微帶天線陣的電磁輻射特性、平衡木式機(jī)載微帶兩面陣的電磁輻射特性以及移動(dòng)通信基站在居民房屋內(nèi)的電磁輻射強(qiáng)度問題，值得指出，利用高階基函數(shù)矩量法求解時(shí)，機(jī)載雷達(dá)微帶兩面陣產(chǎn)生的雙精度復(fù)數(shù)稠密矩陣規(guī)模高達(dá)150萬(wàn)，這是國(guó)際上已知的最大規(guī)模雙精度復(fù)數(shù)稠密