基于異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的空間等離子體數(shù)值模擬研究

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1、分類號(hào)：密級(jí)：UDC：學(xué)號(hào)：406130713159南昌大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文基于異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的空間等離子體數(shù)值模擬研究ResearchofSpacePlasmaParticleSimulationAlgorithmbasedonHeterogeneousComputingPlatforms陳哲培養(yǎng)單位（院、系）：信息工程學(xué)院電子信息工程系指導(dǎo)教師姓名、職稱：唐榮欣研究員申請(qǐng)學(xué)位的學(xué)科門類：工學(xué)學(xué)科專業(yè)名稱：信息與通信工程論文答辯日期：2016年5月21日答辯委員會(huì)主席：評(píng)閱人：2016年月日二、學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究

2、工作及取得的研巧成果。據(jù)我所知，除了文中特別加Ｗ標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得南昌大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料一。與我同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名（手寫）：１奪管簽字日期：扣如年＾月Ｗ日二、學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解南昌大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部口或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文。；被查閱和借閱本人授權(quán)南昌大學(xué)可１＾１將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編

3、入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)斤檢索＞，可［＾１采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文？。同時(shí)授權(quán)北京萬(wàn)方數(shù)據(jù)股份有限公司和中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社將本學(xué)位論文收錄到《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》和《中國(guó)優(yōu)秀博碩±學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》中全文發(fā)表，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向狂會(huì)公眾提供信息服務(wù)，同意按＂＂章程規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。學(xué)位論文作者簽名（手寫）；）導(dǎo)師簽名（手寫：＾簽字日期：４年＾月引日簽字日期：年月日２＾論文題目基于異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的空間等離子體數(shù)值模擬研巧名陳哲學(xué)號(hào)４０６１３０７１３１：５９論文級(jí)別博±□碩±畫＾院／系／所信息工

4、程學(xué)院專業(yè)Ｉ信息與通信工程Ｅ＿ｍａｉｌ備注：＂＂■公開□保密（向校學(xué)位辦申請(qǐng)獲批準(zhǔn)為保密，：年＿＿月后公開）摘要摘要空間等離子體數(shù)值模擬中需要涉及空間中海量粒子的計(jì)算，這直接導(dǎo)致了其對(duì)大量的計(jì)算資源的需求。所以通常使用并行計(jì)算和高性能計(jì)算機(jī)群來(lái)進(jìn)行空間計(jì)算模擬的實(shí)現(xiàn)。其中空間數(shù)值模擬主要使用的的PIC（particle-in-cell）模擬算法是一種將大量的等離子體粒子利用網(wǎng)格計(jì)算來(lái)仿真系統(tǒng)物理特性的一種計(jì)算方法。目前，隨著圖形處理器（GPU）和英特爾集成眾核架構(gòu)協(xié)處理器（MICMany-Integerated-Core）介入高性能計(jì)算領(lǐng)域，越來(lái)越

5、多的大規(guī)模科學(xué)計(jì)算開始采用異構(gòu)并行計(jì)算架構(gòu)的高性能計(jì)算平臺(tái)來(lái)加速和計(jì)算實(shí)現(xiàn)。如何高效并行地進(jìn)行PIC模擬也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，這也是基于PIC的等離子體物理模擬領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在本文中，我們首先實(shí)現(xiàn)了并行的PIC等離子體模擬，然后在其基礎(chǔ)之上擴(kuò)展至使用GPU與MIC的異構(gòu)并行計(jì)算平臺(tái)。并分別針對(duì)GPU與MIC的進(jìn)行了并行PIC模擬優(yōu)化。其中GPU主要使用異步流傳輸，線程塊優(yōu)化，存儲(chǔ)器訪問(wèn)優(yōu)化等優(yōu)化，而MIC主要使用線程擴(kuò)展，指令集向量化等優(yōu)化。為了體現(xiàn)異構(gòu)并行計(jì)算平臺(tái)下的并行加速效果，我們利用英特爾Ivy-Bridge架構(gòu)CPU處理器，英偉達(dá)的Kelper架構(gòu)的G

6、PU計(jì)算卡和英特爾的KnightCorner協(xié)處理器進(jìn)行針對(duì)性模擬，并對(duì)三者的計(jì)算性能進(jìn)行比較。研究表明，針對(duì)空間數(shù)值模擬中的PIC等離子體模擬使用GPU或者M(jìn)IC的異構(gòu)并行計(jì)算平臺(tái)比使用單純CPU的計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算性能更高且成本更低。而且使用GPU平臺(tái)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空間模擬數(shù)據(jù)的可視化。利用GPU與MIC異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行并行計(jì)算將不斷推動(dòng)科學(xué)計(jì)算中使用高性能并行計(jì)算體系架構(gòu)的最新研究與發(fā)展。關(guān)鍵詞：PIC等離子體粒子模擬；GPU;MIC;異構(gòu)并行計(jì)算與優(yōu)化；IABSTRACTABSTRACTSpaceplasmaparticlesimulationusuallyrequ

7、iresmassivecomputingresourcesandbringsastrongdemandoncomputingperformance.PIC(particle-in-cell)plasmasimulationisanimportantphysicalsimulationalgorithmwhichdividesalargenumberofplasmaparticlesintoagridtocalculatethepropertiesofaparticlesystem.Duringlastdecade,theheterogen