基于异构计算平台的空间等离子体数值模拟研究

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1、分类号：密级：UDC：学号：406130713159南昌大学硕士研究生学位论文基于异构计算平台的空间等离子体数值模拟研究ResearchofSpacePlasmaParticleSimulationAlgorithmbasedonHeterogeneousComputingPlatforms陈哲培养单位（院、系）：信息工程学院电子信息工程系指导教师姓名、职称：唐荣欣研究员申请学位的学科门类：工学学科专业名称：信息与通信工程论文答辩日期：2016年5月21日答辩委员会主席：评阅人：2016年月日二、学位论文独创性声明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

2、工作及取得的研巧成果。据我所知，除了文中特别加Ｗ标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。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。学位论文作者签名（手写）：１夺管签字日期：扣如年＾月Ｗ日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文。；被查阅和借阅本人授权南昌大学可１＾１将学位论文的全部或部分内容编

3、入有关数据库进斤检索＞，可［＾１采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文？。同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕±学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向狂会公众提供信息服务，同意按＂＂章程规定享受相关权益。学位论文作者签名（手写）；）导师签名（手写：＾签字日期：４年＾月引日签字日期：年月日２＾论文题目基于异构计算平台的空间等离子体数值模拟研巧名陈哲学号４０６１３０７１３１：５９论文级别博±□硕±画＾院／系／所信息工

4、程学院专业Ｉ信息与通信工程Ｅ＿ｍａｉｌ备注：＂＂■公开□保密（向校学位办申请获批准为保密，：年＿＿月后公开）摘要摘要空间等离子体数值模拟中需要涉及空间中海量粒子的计算，这直接导致了其对大量的计算资源的需求。所以通常使用并行计算和高性能计算机群来进行空间计算模拟的实现。其中空间数值模拟主要使用的的PIC（particle-in-cell）模拟算法是一种将大量的等离子体粒子利用网格计算来仿真系统物理特性的一种计算方法。目前，随着图形处理器（GPU）和英特尔集成众核架构协处理器（MICMany-Integerated-Core）介入高性能计算领域，越来越

5、多的大规模科学计算开始采用异构并行计算架构的高性能计算平台来加速和计算实现。如何高效并行地进行PIC模拟也面临着一系列新的挑战，这也是基于PIC的等离子体物理模拟领域的研究热点之一。在本文中，我们首先实现了并行的PIC等离子体模拟，然后在其基础之上扩展至使用GPU与MIC的异构并行计算平台。并分别针对GPU与MIC的进行了并行PIC模拟优化。其中GPU主要使用异步流传输，线程块优化，存储器访问优化等优化，而MIC主要使用线程扩展，指令集向量化等优化。为了体现异构并行计算平台下的并行加速效果，我们利用英特尔Ivy-Bridge架构CPU处理器，英伟达的Kelper架构的G

6、PU计算卡和英特尔的KnightCorner协处理器进行针对性模拟，并对三者的计算性能进行比较。研究表明，针对空间数值模拟中的PIC等离子体模拟使用GPU或者MIC的异构并行计算平台比使用单纯CPU的计算平台的计算性能更高且成本更低。而且使用GPU平台可以进一步实现空间模拟数据的可视化。利用GPU与MIC异构计算平台进行并行计算将不断推动科学计算中使用高性能并行计算体系架构的最新研究与发展。关键词：PIC等离子体粒子模拟；GPU;MIC;异构并行计算与优化；IABSTRACTABSTRACTSpaceplasmaparticlesimulationusuallyrequ

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