異構(gòu)平臺大規(guī)模高精度CFD負載均衡算法研究.pdf

1、計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）采用數(shù)值計算方法求解流體控制方程，目前已廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車船舶、機械制造等領(lǐng)域。本文針對真實復(fù)雜高階精度CFD應(yīng)用特點，研究異構(gòu)平臺大規(guī)模CFD并行計算中的負載均衡算法。主要工作包括：
　　1）針對典型高階精度CFD程序和異構(gòu)平臺特點，深入剖析了大規(guī)模CFD異構(gòu)并行數(shù)值模擬的負載均衡問題。結(jié)合我國自主發(fā)展的高精度CFD程序WCNS在國產(chǎn)異構(gòu)眾核超

2、級計算機“天河二號”上的大規(guī)模模擬需求，提出了異構(gòu)層次式負載均衡方案，該方案分為兩個層次，即基于多維剖分的結(jié)點間負載均衡和基于偽剖分的結(jié)點內(nèi)異構(gòu)負載均衡。
　　2）提出并實現(xiàn)了兩種基于多維剖分的結(jié)點間負載均衡算法。針對傳統(tǒng)貪婪剖分算法未考慮通信性能影響因素，無法滿足高階格式CFD應(yīng)用對網(wǎng)格剖分的限制，本文進行了三方面改進，實現(xiàn)了進程優(yōu)先的多維貪婪剖分算法 PFMG。針對進程數(shù)遠大于原始網(wǎng)格分區(qū)數(shù)時，PFMG算法剖分的網(wǎng)格塊碎片化而

3、導(dǎo)致的通信開銷增加問題，本文提出了網(wǎng)格塊優(yōu)先的多維剖分算法GFM。采用NACA0012翼型、DLR-F6-WBNP翼身組合體構(gòu)型、C919大型客機構(gòu)型以及三角翼構(gòu)型等大規(guī)模復(fù)雜真實網(wǎng)格作為算例，評估了上述算法的體積、面積平衡因子以及在 WCNS程序中的實際執(zhí)行時間。測試結(jié)果表明：PFMG算法和GFM算法在體積和面積平衡因子方面均優(yōu)于貪婪剖分，且能解決貪婪剖分無法進行剖分的一些算例；GFM剖分的子網(wǎng)格塊通常對接更加規(guī)整，負載均衡性能優(yōu)于P

4、FMG。
　　3）提出并實現(xiàn)了基于偽剖分的結(jié)點內(nèi)異構(gòu)負載均衡算法。根據(jù)異構(gòu)計算結(jié)點內(nèi)CPU與異構(gòu)加速器間通信由CPU控制的特點，本文提出了偽剖分的概念。偽剖分不需要改變對接面信息，僅需在異構(gòu)計算部件間根據(jù)網(wǎng)格負載分配顯式管理數(shù)據(jù)存儲空間。偽剖分的剖分位置十分靈活，易于取得結(jié)點內(nèi)異構(gòu)計算負載均衡。針對結(jié)點內(nèi)異構(gòu)通信負載均衡，面向“天河二號”超級計算機，提出了三種偽剖分策略并進行了通信性能建模分析。結(jié)合結(jié)點間 GFM剖分算法，在WCN