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基于异构计算平台的空间等离子体数值模拟研究

摘要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录 ......................................................................................................................... I II 第1章绪论 .. (1)

1.1空间等离子体数值模拟的研究背景 (1)

1.2异构计算平台的空间等离子体粒子模拟的研究意义 (2)

1.2.1 传统计算机集群的空间数值模拟 (2)

1.2.2 异构计算平台的发展 (3)

1.3空间等离子体粒子模拟的国内外研究现状 (5)

1.4本文的主要内容与结构安排 (5)

第2章异构并行计算平台及其计算能力 (7)

2.1并行计算概述 (7)

2.2并行计算集群 (8)

2.3CPU+GPU异构并行 (9)

2.4CPU+MIC异构并行 (12)

2.4.1 MIC的结构与编程模式 (12)

2.4.2 MIC的offload模式向量化 (14)

2.5CPU,GPU以及MIC的计算能力基准测试 (15)

2.5.1 HPL基准测试介绍 (15)

2.5.1 CPU,GPU,MIC三种平台的HPL测试计算能力 (15)

2.6本章小结 (17)

第3章空间数值模拟算法与实现 (18)

3.1等离子体粒子模拟方法概述 (18)

3.2等离子体粒子模拟算法基本原理 (19)

3.3PIC模拟程序的基本结构 (21)

3.3.1 网格电场计算deposit (21)

III

3.3.2 粒子受力模拟push (22)

3.3.3 磁场计算field (23)

3.3.4 粒子更新位置reorder (24)

3.4PIC的模拟结果 (24)

3.5本章小结 (25)

第4章基于异构平台的计算模拟及优化与结果分析 (26)

4.1并行设计理论 (26)

4.2空间等离子体粒子模拟的初步并行化 (27)

4.2.1 OpenMP并行 (27)

4.2.2 MPI并行 (28)

4.2.3 PIC的数据结构优化及初步并行 (28)

4.3基于CPU+GPU异构平台的并行化 (31)

4.3.1 GPU的CUDA编程理论 (31)

4.3.2 基于CUDA的PIC异构模拟与优化 (32)

4.4基于CPU+MIC异构平台的并行化 (35)

4.4.1 MIC的offload模式 (35)

4.4.2 基于MIC的PIC异构模拟与优化 (36)

4.5PIC的异构并行计算对比 (37)

4.5.1 对比平台配置 (37)

4.5.2 MIC平台下不同线程并行化比较 (39)

4.5.3不同网格大小的计算性能对比 (40)

4.5.4不同函数的计算性能对比 (41)

4.5.5计算性能与功耗对比 (42)

4.6本章小结 (43)

第5章空间模拟数据可视化平台 (44)

5.1OpenGL可视化 (44)

5.2可视化硬件平台 (45)

5.3模拟数据的可视化 (46)

5.4本章小结 (47)

第6章总结与展望 (48)

6.1论文工作总结 (48)

6.2未来工作展望 (49)

致谢 (50)

参考文献 (51)

攻读学位期间的研究成果 (54)

第1章绪论

1.1 空间等离子体数值模拟的研究背景

空间科学是对空间环境的状态或事件进行检测，预报，建模，处理等方面的集成。它是空间物理，数学等学科与信息，计算机技术的交叉与综合。其具有数据大，范围广等特点。空间科学需要将卫星实测的数据分析之后与计算机的模拟仿真进行相应的对比研究。如图1.1是太阳活动与日地环境探测研究中的观测与计算机模拟相结合的示例[1]。

图1.1 观测与计算机模拟