基于gpu的粒子模拟并行方法研究

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1、ｒｆ４ｉ种成＊葦ｌＬＩＣｓＨＮＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡｉＮＩＶＲＳＩＴＹＯＦＥＥＣＴＲＯＮｃＩＥＮＣＥＡＭＤＴ巨Ｃ巨ｉｆ硕±学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳｒ论文题目基于ＧＰＵ的粒子模拟并行方法硏究￣￣￣削顿Ｌ—■■学２０１３２１０４０１１０１作者姓刘鸯｜｜ｒ指导教师刘大刚副教授ｉ■…，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研巧成果。据我所知，除了文

2、中特别加［＾标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得一电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：考日期年＾月日１達化论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，’允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采

3、用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：苗毒导师签名：．曰期：年＾月１／曰分类号密级UDC学位论文基于GPU的粒子模拟并行方法研究刘骞指导教师刘大刚副教授电子科技大学成都申请学位级别硕士学科专业等离子体物理提交论文日期2016.5.15论文答辩日期2016.5.18学位授予单位和日期电子科技大学2015年6月答辩委员会主席评阅人AResearchofEM-PICParallelComputingBasedonGPUAMasterThesisSu

4、bmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:PlasmaPhysicsTechnologyAuthor:QianLiuSupervisor:DagangLiuSchool:SchoolofPhysicalElectronics摘要摘要粒子模拟方法（PIC）是通过计算机跟踪模拟大量粒子运动及其与电磁环境互作用来仿真电子器件在真实环境下工作状态的一种方法。随着高性能计算的广泛应用，计算机模拟成为研究物理理论及开发新型器件的主要过程之一。通过计算机

5、模拟，不仅可以预测模型的各项参数，还能更加直观的观测模型中的粒子运动轨迹，是现代物理理论研究的重要过程。而在电磁粒子模拟计算中，程序运算尤其耗时，这使得开发更高效快速的设备及程序更为重要。而使用PC进行模拟仿真时，加入GPU并行计算优化代码能有效地提高运算速度。本论文的工作内容主要是针对电磁粒子模拟软件的并行算法进行研究并设计GPU环境下的并行加速程序，主要内容包括：1.研究几种GPU构架的运算效率，实现基于Fortran语言的GPU并行程序。实现OpenACC，CUDA及串行计算的矩阵相乘计算，比较计算效率并对比计算结果。

6、分析两种GPU并行的优劣，及优化方案。2.建立基于CUDA的电磁粒子模拟并行模型。按照模型中结构合理划分线程，将模型中电磁迭代计算问题分解到GPU各项线程中并行处理，分析每步迭代间交换GPU与CPU的数据访存效率。3.三维电磁粒子模拟软件CHIPIC-3D并行化的应用研究。实现了三维电磁粒子模拟软件CHIPIC-3D基于GPU的并行计算功能。针对电磁场迭代部分流程做并行化的修改和优化以达到加速，并应用并行化之后的CHIPIC-3D软件完成对矩形波导，磁绝缘传输线（MITL）等多种器件的模拟仿真。4.针对软件中粒子模拟计算部分

7、目前仍然存在的问题和技术实现的难点进行分析总结，提出可能实现的解决方案，为将来的研究打下基础。关键词：三维电磁粒子模拟，GPU，OpenACC，CUDAFortranIABSTRACTABSTRACTElectromagneticparticle-in-cell(PIC)simulationmethodisamethodthatsimulationthemovementofparticlesandtheinteractionbetweenparticlesandElectromagneticenvironment.Bythi

8、smethod,wecansimulationVacuumElectronicDevicesandpredictiontheoperativemodeofthem.Asthewideapplicationofcomputertechnology,simulationthroughcompu