中子輸運問題的兩層混合併行算法研究

《中子輸運問題的兩層混合併行算法研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由魏軍俠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：中子輸運問題的兩層混合併行算法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：魏軍俠
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

高維中子輸運計算問題是十分複雜和規模巨大的科學計算問題，要完成高維動態中子輸運的計算，需要高性能的計算機與高效的算法。高維中子輸運的並行算法中，基於隱式格式的並行流水線Sn掃描算法和基於格式修正的界面預估校正並行算法在計算中都有自身的優缺點，在精度與可擴展性方面還存在著不可調和的矛盾。本課題針對二維柱幾何動態中子輸運方程離散縱標-間斷有限元方法，將這兩種並行算法合理結合，克服它們的缺點而保留兩者的優點，研究中子輸運的兩層混合併行算法，並對該算法進行穩定性與可擴展性分析，研製二維中子輸運適應大規模計算問題的兩層混合高效可擴展並行程式，為核物理與中子物理問題的深入研究提供一個更有效實用的數值模擬工具。

結題摘要

隨著核物理與中子物理研究的深入，對高維中子輸運計算精度的要求越來越高，要求計算所用的幾何空間格線更密，時間步長更小，相空間離散方向數更多，由此導致中子輸運以及整體計算時間成量級地增加。對於中子輸運方程的隱式格式，數據的強相關與算法的串列本性等問題成為制約實現高效並行計算的瓶頸問題。由於目前中子輸運並行算法的可擴展性有限，在數十億次計算機數百上千核上運行的並行程式直接移植到千萬億次計算機數千上萬核很難發揮高效率。因此，必須改造現有的隱式格式，研究適應於大型並行計算機的中子輸運大規模問題的並行計算方法。 本課題針對二維柱幾何非結構格線中子輸運方程Sn-間斷有限元方法離散格式的特點，對計算格式進行了修正，提出並實現了基於格式的界面預估校正並行算法，由於在子區域界面處採用預估校正技術，使界面附近的處理比較合理，並且不依賴空間區域的剖分方式和掃描排序方式的變化，算法通信量少，是完全並行的格式。數值算例表明，該並行算法在精度與並行度等諸方面均具有良好的性質，與已有的基於隱式格式的並行掃描算法相比，對於二維中子輸運大規模計算問題，並行計算效率較高，並行加速比可增加一倍以上，且可保持原隱式格式的計算精度。 針對二維柱幾何中子輸運方程能群並行計算全局通信導致的不可擴展問題，根據中子輸運源疊代算法的特點，深入挖掘中子輸運算法的並行度，設計了能群並行算法，套用基於JASMIN框架的克隆脈動通信方法將全局通信轉化為局部通信，實現了中子輸運基於能群並行的可擴展並行計算。數值實驗表明，能群並行計算可以在已有區域分解並行計算效率的基礎上，再獲得數倍的加速。 本課題設計了能群克隆並行與區域分解並行相結合的多級並行算法，並研製了進程與執行緒混合併行計算的中子輸運程式，實現了二維柱幾何非結構格線中子輸運的多級混合併行計算。數值實驗表明，套用區域分解與能群克隆相結合及進程與執行緒混合的多級混合併行算法，實現了二維柱幾何非結構格線中子輸運方程在數千上萬核上的高效並行計算，為核物理與中子物理問題的深入研究提供了更高效實用的數值模擬工具。