一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法技术

本发明专利技术提供一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，借助申威众核架构，能够大大降低CFD模拟时间，提高程序运行的性能。所述方法包括：判断热工水力模拟软件CFD中矩阵乘中n

CFD Parallel processing method for thermal hydraulic simulation software of nuclear reactor

【技术实现步骤摘要】
一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法
本专利技术涉及高性能计算和核科学技术与工程领域，特别是指一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法。
技术介绍
当前，以通用CPU加专用加速核心构成的异构新型处理器已成为超级计算机的发展趋势。神威·太湖之光是典型的基于异构新型处理器的超级计算机，它由40960块自主研发的申威26010众核处理器组成，每个处理器包含4个核组(CodeGroup，CG)，260个异构核心。如图1所示，单个核组由1个控制核心/主核(ManageProcessingElement，MPE)和运算核心/从核(ComputingProcessingElement，CPE)阵列(8×8网格结构)组成，每个从核有16KB的一级指令缓存和64KB的局存，MPE和CPE共享8GB主存。也就是说：主存是主核和从核共享的8G内存，局存是从核独享的内存，只有64KB。核反应堆热工水力学是研究核反应堆及其回路系统中冷却液的流动和热量传输特性的工程性学科，其内容涉及反应堆实际和假设的稳态和瞬态、事故出现的复杂热工水力现象。由于全尺度实验的限制，需要利用数值计算方法来分析所发生的复杂情况。计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)数值模拟方法克服了传统实验测量方法的条件限制，被广泛用于核反应堆热工水力分析中，比如堆芯棒束通道内的流动换热过程研究和蒸汽发生器关键部件的流动传热研究。采用CFD进行热工水力分析，计算和存储需求大，比如采用直接数值模拟，计算量为雷诺数的三次方量级因此需要超级计算机的支撑。采用CFD进行热工水力模拟要处理的基础是纳维斯托克斯(Naiver-Stokes，N-S)方程，对于非定常不可压缩N-S方程，可以采用谱元法进行空间离散化，谱元法是一种结合有限元法通用性与谱方法的高精度的高阶加权残差技术，基本思想将计算区域划分成若干谱单元，在每个求解单元中利用拉格朗日-洛巴托-勒让德配置点(Gauss-Legendre-Lobatto，GLL)点进行展开，利用投影算子技术和高斯数值积分得到离散方程。接着，将离散后的N-S方程拆分为对流项、压力项、速度项，对流项可以用显式外推法求解，而压力项和速度项需要隐式迭代求解，压力项和速度项都可以直接归结为公式(1)：Hu＝(h1K+h2M)u＝f(1)其中，h1、h2为系数，H为亥姆霍兹算子，K是刚度矩阵，M是质量矩阵，u为待求解的变量域，f是拆解后压力泊松方程或速度亥姆霍兹方程的总合的右边项，当h1＝1，h2＝0即为压力的泊松方程形式，其他h1、h2系数为速度的亥姆霍兹方程形式。基于谱元法离散后的CFD模拟软件以小矩阵乘为主要计算核心，但数学库和编译器不可能提供最好内核性能，使用通用的优化技术(如openACC、OpenMPI等)或优化库(如BLAS、GEMM等)也会导致系统性能大幅度下降，所以要针对超算体系结构提供专门优化方案。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，以解决现有技术所存在的系统性能下降的问题。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，包括：判断热工水力模拟软件CFD中矩阵乘中n2的取值，其中，所述矩阵乘表示为：A、B、C都表示双精度浮点矩阵，n1、n2、n3都表示矩阵维度的大小，N＝n2，N表示谱单元阶数；若12≤n2≤24，则判断n1是否等于N2，若n1＝N2，则对矩阵A按照从核数M进行数据切分，将切分后的数据分配到M个从核的局存中，将矩阵B完整读入到M个从核的局存中，每个从核根据局存中的数据执行矩阵乘计算任务，任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中。进一步地，所述对矩阵A按照从核数M进行数据切分，将切分后的数据分配到M个从核的局存中，将矩阵B完整读入到M个从核的局存中，每个从核根据局存中的数据执行矩阵乘计算任务，任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中包括：将矩阵A矩阵转置为AT；确定用于执行矩阵乘计算的M个从核；调用从核线程组，每个从核按照步骤A1-A5执行矩阵乘计算任务；其中，步骤A1-A5为：A1，获取当前从核的编号id；A2，根据公式确定平均每个从核分配的行数，其中，M表示从核的数目，RA为矩阵A的行数；A3，判断当前从核id是否满足：id<(leave＝RA％M)，若满足，则当前从核需要获取矩阵A的数据量为偏移量为当前从核申请大小的局存空间以为基址取数据放入局存空间中，其中，leave表示剩余量，LA为矩阵A的列数；A4，当前从核申请SlabB大小的局存空间SpaceB，以B+OffsetB为基址取SlabB大小数据放入局存空间SpaceB中，其中，SlabB表示每个从核需要获取的矩阵B的数据量，SlabB＝8RBLBByte，RB表示矩阵B的行数，LB表示矩阵B的列数；OffsetB表示矩阵B的偏移量，OffsetB＝0Byte；A5，当前从核申请大小为的局存空间SpaceC，当前从核根据局存空间SpaceB中的数据进行矩阵乘计算，将计算结果存入局存空间SpaceC中。进一步地，在当前从核根据局存空间SpaceB中的数据进行矩阵乘计算时，若n2＝12,16,20,24，则利用从核的单指令多数据流扩展部件，采用对界单指令多数据流方式将访问连续的局存空间数据装入向量寄存器进行矩阵乘计算，将计算结果存入局存空间SpaceC中。进一步地，所述任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中包括：任务完成后，根据id将局存空间SpaceC中的结果以直接内存存取方式向矩阵C对应的主存的基地址C+OffsetC跨StrideC步存入数据块bsize，直到SpaceC回传完毕，释放所有局存；其中，OffsetC表示矩阵C的偏移量，StrideC表示回传跨步大小，bsize表示跨步向量块大小，进一步地，所述方法还包括：若12≤n2≤24且n1≠N2，则判断n3是否等于N2，若n3＝N2，则将矩阵A完整读入到M个从核的局存中，对矩阵B按照从核数M进行数据切分，将切分后的数据分配到M个从核的局存中，每个从核根据局存中的数据执行矩阵乘计算任务，任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中。进一步地，所述方法还包括：当12≤n2≤15时，n1≠N2且n3≠N2，则采用循环展开方式进行矩阵乘计算，得到矩阵乘计算结果。进一步地，所述方法还包括：当16≤n2≤24时，n1≠N2且n3≠N2，则采用非对界单指令多数据流方式在主核中进行向量化计算，得到矩阵乘计算结果。进一步地，所述方法还包括：若1≤n2≤11，则采用循环展开方式进行矩阵乘计算。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，基于申威众核架构，提供一种以矩阵乘为计算核心的CFD软件的并行优化处理技术，以充分利用申威众核本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，其特征在于，包括：/n判断热工水力模拟软件CFD中矩阵乘中n

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，其特征在于，包括：
判断热工水力模拟软件CFD中矩阵乘中n2的取值，其中，所述矩阵乘表示为：A、B、C都表示双精度浮点矩阵，n1、n2、n3都表示矩阵维度的大小，N＝n2，N表示谱单元阶数；
若12≤n2≤24，则判断n1是否等于N2，若n1＝N2，则对矩阵A按照从核数M进行数据切分，将切分后的数据分配到M个从核的局存中，将矩阵B完整读入到M个从核的局存中，每个从核根据局存中的数据执行矩阵乘计算任务，任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中。


2.根据权利要求1所述的核反应堆热工水力模拟软件CFD并行处理方法，其特征在于，所述对矩阵A按照从核数M进行数据切分，将切分后的数据分配到M个从核的局存中，将矩阵B完整读入到M个从核的局存中，每个从核根据局存中的数据执行矩阵乘计算任务，任务完成后，将计算结果分配回矩阵C对应主存的地址中包括：
将矩阵A矩阵转置为AT；
确定用于执行矩阵乘计算的M个从核；
调用从核线程组，每个从核按照步骤A1-A5执行矩阵乘计算任务；其中，步骤A1-A5为：
A1，获取当前从核的编号id；
A2，根据公式确定平均每个从核分配的行数，其中，M表示从核的数目，RA为矩阵A的行数；
A3，判断当前从核id是否满足：id<(leave＝RA％M)，若满足，则当前从核需要获取矩阵A的数据量为偏移量为当前从核申请大小的局存空间以为基址取数据放入局存空间中，其中，leave表示剩余量，LA为矩阵A的列数；
A4，当前从核申请SlabB大小的局存空间SpaceB，以B+OffsetB为基址取SlabB大小数据放入局存空间SpaceB中，其中，SlabB表示每个从核需要获取的矩阵B的数据量，SlabB＝8RBLBByte，RB表示矩阵B的行数，LB表示矩阵B的列数；OffsetB表示矩阵B的偏移量，OffsetB＝0Byte；
A5，当前从核申请大小为的局存空间SpaceC，当前从核根据局存空间SpaceB中的数据进行矩阵乘计算，将计算结果存入局存空间SpaceC中。

【专利技术属性】
技术研发人员：周志锋，赵民富，王明军，刘天才，王先梦，胡长军，杨文，王学松，祁琳，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11