基于新型CPU/GPU混合架构的高精度隐式无网格并行算法研究
批准号:
12102188
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张加乐
依托单位:
学科分类:
计算流体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张加乐
中文摘要
基于CPU/GPU混合架构发展新型并行算法是目前CFD等领域并行算法研究的前沿热点;但混合架构特有的多层众核和多样性存储器等特征,对算法的并行化提出了更加严苛的数据不相关性要求,这就为CFD并行算法,特别是本身数据依赖性更强的隐式算法的设计和实施带来了巨大挑战。本项目直面这一挑战,通过构造新型并行计算格式,寻求高精度隐式无网格算法数据依赖瓶颈问题的突破。具体工作涉及面向高精度算法的点云快速生成技术、兼容GPU架构特征的隐式格式构造方法、兼具负载平衡的CPU/GPU协同计算策略等关键点,通过创新突破,力求集格式高精度、无网格灵活性和异型架构高效率优势与一体,发展出基于CPU/GPU混合架构的新型高精度隐式无网格并行算法。研究将具体结合工程常用的Euler和Navier-Stokes方程求解问题展开,不但具有学术意义,而且具有十分重要的工程应用价值。
英文摘要
Developing new-type parallel algorithms on the CPU/GPU hybrid architecture has become a cutting-edge research topic in various engineering fields, especially in CFD. However, the hybrid architecture has obvious different characteristics of multilevel many-cores and multifarious memories, the comprehensive utilization of these characteristics raises stringent requirements of data independency and huge challenges for developing parallelized CFD algorithms, especially for implicit algorithms with inherent strong data dependency. Facing the challenge, this project is devoted to break the bottleneck of strong data dependency of high-resolution implicit meshless methods for solving the Euler and Navier-Stokes equations. To achieve this purpose, three key works, including the development of fast cloud generation technique oriented toward high-resolution algorithms, the design of new implicit schemes that compatible with GPU characteristics, and the construction of collaborative computing strategy between CPU and GPU, will be carried out to develop novel parallel algorithms of high-resolution implicit meshless methods on the CPU/GPU hybrid architecture. Due to the comprehensive utilization of high hardware performances as well as the careful concerning of high-resolution and flexibility of meshless methods, therefore, the project not only has important significances to the academic research, but also has very great engineering application values for accelerating the simulations of real complicated flows.
在科学计算与工程优化领域,大规模复杂流动的并行计算需求日益增长。然而,传统的基于网格划分和CPU并行的数值方法,由于受到固定网格拓扑结构的限制以及CPU并行效率的瓶颈,面临着巨大的挑战。在这一背景下,如何充分利用现代CPU/GPU异构混合架构的性能优势,开发新型高效且高保真的并行算法,对于解决复杂的科学与工程问题具有至关重要的意义。为此,本课题通过将布点离散灵活的无网格方法与高性能的异构并行技术相结合,开展了基于新型CPU/GPU混合架构的高精度隐式无网格并行算法研究,并取得了以下主要成果:. 1.通过融合笛卡尔布点与阵面推进布点技术,并结合高质量的无网格选点策略,成功开发了面向高精度计算的无网格快速自动布点离散技术,为复杂流动问题的高效离散化提供了有力支持。. 2.提出了一种面向异构架构的通用无网格点作色计算分组策略,并成功将LUSGS、GS、GMRES等隐式格式高效地移植到GPU上。在规则点云和不规则点云的测试中,均验证了所提方法的有效性,为异构并行计算提供了可靠的算法基础。. 3.结合并行化实施、隐式作色计算分组等技术,发展了面向Euler/Navier-Stokes方程求解的高精度异构并行显式/隐式算法。该算法成功应用于从二维翼型到三维机翼,再到三维整机的数值模拟。在NVIDIA TITAN显卡上,显式算法实现了46.7倍的加速比,而隐式算法进一步提高了10倍效率,实现了精度与效率的完美兼顾。. 本课题所发展的无网格自动布点技术和高精度异构并行算法,不仅加速效果显著,还具有较强的鲁棒性和广泛的适用性。为其他仿真算法的异构并行化移植和改造提供了宝贵的借鉴与参考,同时也为航空航天等领域中复杂流动的高精度仿真开辟了新的技术途径。
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