異構(gòu)平臺(tái)大規(guī)模高精度CFD負(fù)載均衡算法研究.pdf

1、計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）采用數(shù)值計(jì)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(jī)械制造等領(lǐng)域。本文針對(duì)真實(shí)復(fù)雜高階精度CFD應(yīng)用特點(diǎn)，研究異構(gòu)平臺(tái)大規(guī)模CFD并行計(jì)算中的負(fù)載均衡算法。主要工作包括：
　　1）針對(duì)典型高階精度CFD程序和異構(gòu)平臺(tái)特點(diǎn)，深入剖析了大規(guī)模CFD異構(gòu)并行數(shù)值模擬的負(fù)載均衡問題。結(jié)合我國(guó)自主發(fā)展的高精度CFD程序WCNS在國(guó)產(chǎn)異構(gòu)眾核超

2、級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”上的大規(guī)模模擬需求，提出了異構(gòu)層次式負(fù)載均衡方案，該方案分為兩個(gè)層次，即基于多維剖分的結(jié)點(diǎn)間負(fù)載均衡和基于偽剖分的結(jié)點(diǎn)內(nèi)異構(gòu)負(fù)載均衡。
　　2）提出并實(shí)現(xiàn)了兩種基于多維剖分的結(jié)點(diǎn)間負(fù)載均衡算法。針對(duì)傳統(tǒng)貪婪剖分算法未考慮通信性能影響因素，無(wú)法滿足高階格式CFD應(yīng)用對(duì)網(wǎng)格剖分的限制，本文進(jìn)行了三方面改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程優(yōu)先的多維貪婪剖分算法 PFMG。針對(duì)進(jìn)程數(shù)遠(yuǎn)大于原始網(wǎng)格分區(qū)數(shù)時(shí)，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(jī)構(gòu)型以及三角翼構(gòu)型等大規(guī)模復(fù)雜真實(shí)網(wǎng)格作為算例，評(píng)估了上述算法的體積、面積平衡因子以及在 WCNS程序中的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間。測(cè)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(wú)法進(jìn)行剖分的一些算例；GFM剖分的子網(wǎng)格塊通常對(duì)接更加規(guī)整，負(fù)載均衡性能優(yōu)于P

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