典型隱式CFD求解方法的眾核并行計(jì)算.pdf

1、計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）作為一種強(qiáng)有力的計(jì)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(shí)效方向發(fā)展，對(duì)計(jì)算與存儲(chǔ)量的需求日益增加，開(kāi)展高效大規(guī)模并行計(jì)算成為必然趨勢(shì)。
　　近年來(lái)，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(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主流架構(gòu)。與傳統(tǒng)同構(gòu)并行計(jì)算機(jī)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)模科學(xué)和工程計(jì)算提供了很好的機(jī)遇。同時(shí)，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(kāi)發(fā)帶來(lái)了諸多現(xiàn)實(shí)的困難和挑戰(zhàn)。
　　本文以一個(gè)有限體積的CFD實(shí)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(kāi)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(diǎn)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(gè)方面對(duì)比分析了兩者的異同，并根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)，給出了兩種架構(gòu)編程和優(yōu)化的學(xué)習(xí)曲線。
　　(2)對(duì)ADI、JACOBI等隱式CFD求解方法基本原理、CFD計(jì)算流程、計(jì)算數(shù)據(jù)依賴關(guān)系等進(jìn)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(diǎn)，提出了基于網(wǎng)格點(diǎn)并行和基于網(wǎng)格線并行的GPU并行算法；對(duì)實(shí)際CFD應(yīng)用場(chǎng)景下的ADI和JACOBI方法

4、進(jìn)行了GPU并行算法設(shè)計(jì)、實(shí)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(shí)算例進(jìn)行了并行性能測(cè)試與分析。結(jié)果顯示：在200萬(wàn)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(duì)于Intel Xeon X5670單核）；相對(duì)而言JACOBI迭代求解方法體現(xiàn)出了較好的GPU并行計(jì)算性能。
　　(3)基于LIKWID性能分析工具，對(duì)MIC眾核架

5、構(gòu)下LU-SGS、ADI、JACOBI的OpenMP并行性能進(jìn)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(duì)應(yīng)用性能的影響。針對(duì)JACOBI方法，MIC性能優(yōu)化在理想和真實(shí)場(chǎng)景下取得加速性能差異，借助性能分析工具—LIKWID，通過(guò)收集和分析程序執(zhí)行中的硬件指標(biāo)，對(duì)不同場(chǎng)景下這種加速性能差異進(jìn)行了比較研究與合理性解釋。測(cè)試結(jié)果表明：在單區(qū)200萬(wàn)網(wǎng)格規(guī)模下，JACOBI方法相對(duì)于C