高效率fdtd网络并行计算研究

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1、Y99{653四川大学硕士学位论文高效率FDTD网络并行计算研究硕士生：梁丹指导教师：陈星副教授专业：无线电物理中国·四川I·成都二oO六年五月四川大学硕士学位论文高效率的FDTD网络并行计算研究无线电物理专业研究生：梁丹指导教师：陈星副教授摘要自1966年，K．S．Yee首次提出时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain，FDlD)以来。FlYrD法由于其原理简洁且容易实现，现已广泛的应用于各种电磁计算领域。但由于FDTD的离散需要满足Courant稳定条件和一定的精度保证，这使得FDTD法在解决电大尺寸和复杂结构物体问题的时候需划分数量庞大的网格，带来计算耗时过

2、长和计算机内存不足的难题。这已成为限制了FDTD算法在电磁数值计算应用中的主要瓶颈。随着个人计算机性能的不断提高和网络技术的快速发展，网络并行计算技术得到了广泛的应用．将个人计算机通过高速以太网连接而组成的网络并行计算机(又称为Beomalf系统)由于其扩展性好，性价比高等优点而越来越被广泛甩到各种并行计算领域。FDTD结合网络并行计算技术，可将大规模的计算分割成小块分配给计算机分别处理，既解决了大内存的需要又缩短了计算时问，从而为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一条有效的途径．FDTD网络并行计算现已成为电磁场数值计算的一个研究热点，但现阶段已有的网络并行FDTD

3、算法，往往随着计算节点的增多，并行效率下降很快，这严重制约并行FDTD的实际工程应用。因此提高并行效率已成为FDTO并行计算研究的当务之急．本文采用VisualFortran编程语言编写了三维FDTD通用计算程序，该程序采用了PML(PerfectMatchedLayer)吸收边界条件和总场，散射场体系，可通过设置网格参数进行目标建模，实现各种电磁散射仿真计算。通过对一金属圆柱体的电磁散射模拟，证明了该程序的正确性．采用MPI(MessagePassingInterface)并行函数库，对FDTD并行计四川大学硕土掌位电文算中的关键步骤如区域分割、负载平衡、进程网络拓扑结构、数据传输、数组操

4、作、自定义数据类型、通信函数的选取等进行了分析和优化。最后提出了一套FDTD并行计算方案并基于该方案编写了三维并行FDTD通用程序。为了测试三维并行FDTD通用程序的效率，本文在～套16台微机组成的Beowulf系统上，对一地下金属管进行了并行数值计算．实际测试结果表明，并行加速比从2个计算节点的1．81稳步上升到12个计算节点的6．22，12个计算节点的并行效率达到了51．83％。这表明该程序能够实现高效率的FDTD并行计算。关键词：时域有限差分法网络并行计算MPI并行效率II竺：!：里!堕!!一．——AStudyofEfficientParallelFDTDMethodsonCluste

5、rSystemsMajor：RadioPhysicsGraduateStudent：LiangDanAdvisor：Associate-Prof．ChenXingSincefirstlypresentedbyK．S．Yeein1966，theFiniteDifferenceTimeDomainqDTD)method。characterizedbyit’ssimplificationanddirectness，wasappliedextensivelyinvariouselectromagneticcomputationarea．Butinordertomeettherequirementof

6、precisionandCourantstabilitycondition,theFDTDmethodhavetogenerateenormous鲥dswhensimulatingelectric-largeobjeetsorobjectsofcomplexstruc眦s．Hencetwoproblemshavetobeconfronted,hug口memoryconsumptionandlongexecutiontime，whichseriouslyobstructtheapplicationofFDTDintheelectromagneticnumericalcomputationfie

7、ld．Withtherapidimprovementofthepersonalcomputerandthelocalnetwork,theclusterparallelcomputationiswidelyemployedinmanyfields．OwetoitsexcellentexpansibilityandhighperformanceVerSUSpriceratio，theBeowulfsystem,