高性能科学与工程计算支撑软件框架体系.pdf

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1、■研0E曹1m究0小a—i5员l林9：8x7ia2o4l5in3cao@iapcm．ac．cn高性能科学与工程计算支撑软件框架体系在科学与工程计算中，结构网格、非结构网格和无网格组合几何是三类最普遍的计算。面向结构网格应用，已经研制了JASMIN框架_】】。借鉴JASMIN框架的成功经验和一些共性基础技术，面向非结构网格应用和无网格组合几何计算，突破了核心关键技术，研制了JAUMIN框架和JCOGIN框架。这两个框架和JASMIN框架一起，形成了高性能科学与工程计算支撑软件框架体系。1支撑软件框架体系面向科学

2、与工程计算，立足计算机及其发展趋势，建立了涵盖结构网格、非结构网格和无网格组合几何的支撑软件框架体系(见图1)。它包括三个框架：售息、材料、制造、能源等领域应用软件lJJIJI结构网格非结构网格组合几何JASMIN~IIJAUMIN框架一JCOGIN框架支撑软件框架体系图1支撑软件框架体系JASMIN框架并行自适应结构网格支撑软件框架(JAdaptiveStructuredMeshesapplicationsInfrastructure)。它支撑结构网格类应用，可支撑的网格类型包括：单层单块结构网格、单层多块

3、变形网格、白适应多层结构网格、多块协调拼接网格、非协调拼接网格等。它可应用于流体力学、辐射流体力学、弹塑性流体力学、辐射和中子输运、分子动力学、位错动力学、粒子模拟(PIC)和计算电磁学，以及多物理过程的耦合计算。JAUMIN框架并行自适应非结构网格支撑软件框架(JAdaptiveUnstructuredMeshesapplicationsInfrastructure)。它支撑有限元计算和非结构网格应用，支撑的网格类型包括：三角形、多边形、六面体、多面体等。它可应用于弹塑性流体力学、结构力学、工程力学、计算电

4、磁学等。JCOGIN框架并行无网格组合几何计算支撑软件框架(Jmesh．freeCombinatoryGeometryInfrastructure)。它支撑无网格组合几何计算，可应用于核反应MC计算等。该框架体系具有以下特色：屏蔽并行计算细节，支撑按串行方式编写并行程序。基于框架提供的并行编程接口，应用领域专家，无需考虑并行计算细节，只需在个人电脑上通过编写串行的数值计算子程序，实现物理模型和技术及问题相关的数值算法，就可以研制高效的并行应用软件。通过软件重用，缩短程序的研制周期，提高生产效率，同时，提升软件

5、质量。基于框架提供的规范、■．______，数据结构、多物理耦合计算等先进功能，支持程序的高度模块化，通过重用和多人并行开发软件模块，大幅降低程序的研制难度。促进应用软件和计算机协调发展。在框架的支撑下，当计算机体系结构变化时，只需优化改进框架，就可使得应用软件快速适应最新的高性能计算机。促进多学科协同，保护知识产权。基于框架研制的程序具有层次化、模块化的软件体系结构，应用学科、计算数学和高性能计算的科研人员可以紧密协同，而且有利于保护各个学科的知识产权，实现可持续发展。2支撑应用软件的重构和发展经过多年的发

6、展，JASMIN框架已成功应用于核武器物理、激光聚变、高功率微波武器等领域，支撑重构、发展和研制了20多个并行应用程序。表1列出了5个己在万核上开展模拟的应用软件。基于JAUMIN框架，重构了2个软件。它们均可在2千多核上开展模拟，模拟的非结构网格数或自由度数均超过了千万。基于JAUM1N框架，重构了1个软件。该软件在4096核上模拟的几何体数超过了千万。表1基于框架体系研制、重构和发展的应用软件科学意义针对计算机性能“十年千倍”快速增长的复杂体系结构发展趋势和长期困扰复杂应用程序发展的“单兵作战、重复研制、

7、效率低、周期长、可持续能力弱”的瓶颈，与领域专家共同策划和提出了“集成共性研制支撑软件框架、基于框架研制并行应用软件”的新思路l2。】。基于JASM1N框架在结构网格应用方面的成功，将这一思路推广到非结构网格应用和无网格组合几何，形成框架体系，覆盖科学与L程计算中最普遍的结构网格、非结构网格和三维无网格组合几何这三类计算。该框架体系紧密围绕完全自主知识产权应用软件的研制，支撑应用软件建立层次化和模块化软件体系结构，促进多学科协同，促进应用软件和计算机的协调发展，为解决应用软件‘L石开制周期长、计算效率低”的瓶

8、颈问题奠定了基础。展望支撑软件框架体系是我院紧密结合实际应用需求、开展前瞻性应用基础研究而获得的创新性科研成果，多次受邀在国内外重要学术年会和美国、德国、巴西、日本等国的访问中做大会报告，产生一定的影响。在“十二五”末，在能源、信息、材料、制造等领域，基于框架体系将支撑研制十多个应用软件。这些应用软件可以在亿亿次计算机上，有效使用数万或数十万处理器核开展完整物理过程模拟，实现完全自主知识产权应用软件