CUDA架構下激光間接驅動輻射對稱性高效并行分析算法研究
發(fā)布時間：2020-12-27 15:02
激光間接驅動慣性約束聚變（ICF）是實現受控熱核聚變的重要方法之一，已成為各個國家的重點研究領域。數值模擬慣性約束聚變的實驗過程，可以提高實驗效率。間接驅動輻射對稱性是判斷實驗過程中內爆點火是否成功的一個關鍵指標。為滿足對稱性分析中更高的精度要求，需要對靶表面進行密集的網格劃分，從而導致數值模擬過程耗時較長。本文對如何準確、高效地實現激光間接驅動輻射對稱性分析進行了研究。對稱性分析需先對靶表面進行網格離散，然后建立能量平衡模型進行求解。為了達到較高的計算精度，網格劃分往往較為密集，從而導致能量平衡模型規(guī)模巨大，CPU串行求解耗時較長。針對這一問題，本文提出了CUDA架構下的雅克比迭代并行算法，通過網格單元輻射能流的雅克比迭代求解過程到GPU各運算線程的映射，實現了能量平衡模型的高效求解。同時，在能量平衡模型構建過程中，視角因子的計算次數較多，利用GPU多處理器的協(xié)同求解技術，實現了視角因子的快速計算，加速了模型的構建。為了驗證并行算法的效率和準確性，選擇了幾個典型的神光裝置靶模型案例進行分析。通過與CPU計算結果對比，當網格離散規(guī)模達到106時，加速比高達1000以上，同時，GPU相對...
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
ICF輻射驅動示意圖
圖 1-2 不同靶腔長度下內爆對稱性調節(jié)示意圖激光間接驅動靶丸內爆是一個復雜的物理過程，輻射對稱性更好的理解激光輻照過程，挖掘和解釋實驗規(guī)律，為點火實經過多年研究，形成了大規(guī)模數值模擬軟件包 LARED，其靶腔耦合輻射）、LARED-S（模擬壓縮氘氚靶丸的熱核反了很好的作用。數值模擬軟件包都是針對內爆復雜物理過程中某個特定的程化，無法系統(tǒng)地分析研究；而且，這些軟件包雖然能得到接可視化，交互性能很差，這就不方便科研人員直接對實驗性收到了較大的影響。激光簡介驅動 ICF 靶丸內爆點火過程中，一個關鍵的問題就分析 X 射線輻射均勻性。對靶腔和靶丸之間的輻射能量交前使用較為成熟且簡單有效的方法。視角因子的物理含義是的能量中能夠直接到達另一個表面的份額，反映了相互輻射
一計算設備架構)。CUDA 架構與以往 GPU 架構相比，有兩項顯著的改進：（1）采用了統(tǒng)一的處理架構，使得通用計算的程序能夠對芯片上的每個算數邏輯單元（ArithmeticLogic Unit，ALU）進行排列，并保證了這些 ALU 滿足單精度浮點數學運算的需求；（2）引入了共享存儲器，支持讀寫和線程間通信。此外，開發(fā)人員不需要借助圖形學 API，可采用類 C 語言進行開發(fā)。CUDA 架構的這些功能使得 GPU 不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)的圖形計算，還能高效地執(zhí)行通用計算。近年來，GPU 更注重于計算密集、高并行性的圖形顯示，設計目標是大規(guī)模數據吞吐量及其并行計算[26]。而 CPU 則需要兼顧數據計算、邏輯運算以及計算任務和資源調配等工作。這決定了 GPU 的結構設計不同于 CPU，如圖 1-3 所示，GPU 沒有復雜的緩存體系和邏輯控制機制，芯片上大部分晶體管用于計算用途的算數邏輯單元，擁有成百上千個流處理器（Streaming Processor，SP）以適應大規(guī)模并行計算，而 CPU 將大量晶體管用作控制單元和緩存，當前主流的 CPU 一般僅有 2-8 個核心。因此，GPU 浮點計算能力與帶寬相對同時期的 CPU 有明顯的優(yōu)勢，見圖 1-4。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]間接驅動的內爆不對稱性隨腔長和時間變化的研究[J]. 黎航,蒲昱東,景龍飛,林雉偉,陳伯倫,蔣煒,周近宇,黃天晅,張海鷹,于瑞珍,張繼彥,繆文勇,鄭志堅,曹柱榮,楊家敏,劉慎業(yè),江少恩,丁永坤,況龍鈺,胡廣月,鄭堅. 物理學報. 2013(22)
[2]CUDA架構下的靶丸輻射能流并行計算[J]. 趙權,黃運保,孫宇航. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2013(07)
[3]基于CUDA架構矩陣乘法的研究[J]. 馬夢琦,劉羽,曾勝田. 微型機與應用. 2011(24)
[4]神光-Ⅲ主機內爆柱腔靶長徑比對靶丸輻照不均勻度的影響[J]. 景龍飛,黃天晅,陳伯倫,蘇明,余波,蔣煒,蒲昱東,晏驥. 強激光與粒子束. 2011(09)
[5]基于光路追蹤法的激光能量沉積并行計算[J]. 呂信,莫則堯. 計算機工程與科學. 2011(03)
[6]視角因子方法在間接驅動ICF中的應用[J]. 周近宇,黃天晅,蒙林,蔣煒,黎航,張海鷹. 強激光與粒子束. 2010(05)
[7]我國激光慣性約束聚變實驗研究進展[J]. 江少恩,丁永坤,繆文勇,劉慎業(yè),鄭志堅,張保漢,張繼彥,黃天晅,李三偉,陳家斌,蔣小華,易榮清,楊國洪,楊家敏,胡昕,曹柱榮,黃翼翔. 中國科學(G輯:物理學 力學 天文學). 2009(11)
[8]一種基于GPU硬件加速計算的輻射度實現方法[J]. 胡偉,秦開懷. 計算機研究與發(fā)展. 2005(06)
[9]三維激光燒蝕流體界面不穩(wěn)定性程序的并行化[J]. 左風麗,莫則堯,葉文華. 數值計算與計算機應用. 2005(01)
[10]基于圖形處理器(GPU)的通用計算[J]. 吳恩華,柳有權. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2004(05)
博士論文
[1]黑腔X光輻射的模型分析及輻射溫度的實驗研究[D]. 黃天晅.中國工程物理研究院 2001
碩士論文
[1]ICF輻射驅動對稱性分析及三維可視化研究[D]. 景龍飛.中國工程物理研究院 2012
[2]邊界元系統(tǒng)方程的GPU并行求解算法研究[D]. 王鋼.華中科技大學 2012
[3]基于GPU的光線跟蹤算法研究與實現[D]. 蘭青.湖南大學 2009
本文編號：2941956
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
ICF輻射驅動示意圖
圖 1-2 不同靶腔長度下內爆對稱性調節(jié)示意圖激光間接驅動靶丸內爆是一個復雜的物理過程，輻射對稱性更好的理解激光輻照過程，挖掘和解釋實驗規(guī)律，為點火實經過多年研究，形成了大規(guī)模數值模擬軟件包 LARED，其靶腔耦合輻射）、LARED-S（模擬壓縮氘氚靶丸的熱核反了很好的作用。數值模擬軟件包都是針對內爆復雜物理過程中某個特定的程化，無法系統(tǒng)地分析研究；而且，這些軟件包雖然能得到接可視化，交互性能很差，這就不方便科研人員直接對實驗性收到了較大的影響。激光簡介驅動 ICF 靶丸內爆點火過程中，一個關鍵的問題就分析 X 射線輻射均勻性。對靶腔和靶丸之間的輻射能量交前使用較為成熟且簡單有效的方法。視角因子的物理含義是的能量中能夠直接到達另一個表面的份額，反映了相互輻射
一計算設備架構)。CUDA 架構與以往 GPU 架構相比，有兩項顯著的改進：（1）采用了統(tǒng)一的處理架構，使得通用計算的程序能夠對芯片上的每個算數邏輯單元（ArithmeticLogic Unit，ALU）進行排列，并保證了這些 ALU 滿足單精度浮點數學運算的需求；（2）引入了共享存儲器，支持讀寫和線程間通信。此外，開發(fā)人員不需要借助圖形學 API，可采用類 C 語言進行開發(fā)。CUDA 架構的這些功能使得 GPU 不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)的圖形計算，還能高效地執(zhí)行通用計算。近年來，GPU 更注重于計算密集、高并行性的圖形顯示，設計目標是大規(guī)模數據吞吐量及其并行計算[26]。而 CPU 則需要兼顧數據計算、邏輯運算以及計算任務和資源調配等工作。這決定了 GPU 的結構設計不同于 CPU，如圖 1-3 所示，GPU 沒有復雜的緩存體系和邏輯控制機制，芯片上大部分晶體管用于計算用途的算數邏輯單元，擁有成百上千個流處理器（Streaming Processor，SP）以適應大規(guī)模并行計算，而 CPU 將大量晶體管用作控制單元和緩存，當前主流的 CPU 一般僅有 2-8 個核心。因此，GPU 浮點計算能力與帶寬相對同時期的 CPU 有明顯的優(yōu)勢，見圖 1-4。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]間接驅動的內爆不對稱性隨腔長和時間變化的研究[J]. 黎航,蒲昱東,景龍飛,林雉偉,陳伯倫,蔣煒,周近宇,黃天晅,張海鷹,于瑞珍,張繼彥,繆文勇,鄭志堅,曹柱榮,楊家敏,劉慎業(yè),江少恩,丁永坤,況龍鈺,胡廣月,鄭堅. 物理學報. 2013(22)
[2]CUDA架構下的靶丸輻射能流并行計算[J]. 趙權,黃運保,孫宇航. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2013(07)
[3]基于CUDA架構矩陣乘法的研究[J]. 馬夢琦,劉羽,曾勝田. 微型機與應用. 2011(24)
[4]神光-Ⅲ主機內爆柱腔靶長徑比對靶丸輻照不均勻度的影響[J]. 景龍飛,黃天晅,陳伯倫,蘇明,余波,蔣煒,蒲昱東,晏驥. 強激光與粒子束. 2011(09)
[5]基于光路追蹤法的激光能量沉積并行計算[J]. 呂信,莫則堯. 計算機工程與科學. 2011(03)
[6]視角因子方法在間接驅動ICF中的應用[J]. 周近宇,黃天晅,蒙林,蔣煒,黎航,張海鷹. 強激光與粒子束. 2010(05)
[7]我國激光慣性約束聚變實驗研究進展[J]. 江少恩,丁永坤,繆文勇,劉慎業(yè),鄭志堅,張保漢,張繼彥,黃天晅,李三偉,陳家斌,蔣小華,易榮清,楊國洪,楊家敏,胡昕,曹柱榮,黃翼翔. 中國科學(G輯:物理學 力學 天文學). 2009(11)
[8]一種基于GPU硬件加速計算的輻射度實現方法[J]. 胡偉,秦開懷. 計算機研究與發(fā)展. 2005(06)
[9]三維激光燒蝕流體界面不穩(wěn)定性程序的并行化[J]. 左風麗,莫則堯,葉文華. 數值計算與計算機應用. 2005(01)
[10]基于圖形處理器(GPU)的通用計算[J]. 吳恩華,柳有權. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2004(05)
博士論文
[1]黑腔X光輻射的模型分析及輻射溫度的實驗研究[D]. 黃天晅.中國工程物理研究院 2001
碩士論文
[1]ICF輻射驅動對稱性分析及三維可視化研究[D]. 景龍飛.中國工程物理研究院 2012
[2]邊界元系統(tǒng)方程的GPU并行求解算法研究[D]. 王鋼.華中科技大學 2012
[3]基于GPU的光線跟蹤算法研究與實現[D]. 蘭青.湖南大學 2009
本文編號：2941956
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