面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法及装置，适用于采用区域分解并行算法和特征线法的中子输运计算系统，本发明专利技术方法包括：采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，使得输运计算和进程间通信在运行时间上至少部分重叠；当主机端和加速卡设备端进行协同计算时，采用多流异步调用的方式，实现所述设备端上的输运计算和所述主机端与设备端之间的数据拷贝在运行时间上的重叠；其中，所述流指的是在设备端上一个以预设顺序执行的操作队列。本发明专利技术可有效提高大规模并行特征线方法中子输运计算软件系统的并行效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法及装置


[0001]本专利技术涉及高性能计算与核反应堆工程技术的交叉
，特别涉及一种面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法及装置。

技术介绍

[0002]稳态中子输运计算是用于模拟核裂变反应的主要方法之一，主要是对于中子输运稳态方程的求解，计算功率分布、通量分布和有效增殖系数等。目前对其进行求解具有多种不同的离散方式，其中，特征线法以其简洁的计算流程、良好的几何适应性和较高的数值求解精度等优势成为稳态中子输运计算的热点研究方法之一。多能群玻尔兹曼中子输运方程如公式1所示，其中r代表空间向量，Ω代表角向量，包括方位角和极角，g代表中子能群的索引，q
g
代表源项。用标通量φ
g
表示各向同性散射修正源项，得到源项的计算方法，如公式2所示。
[0003][0004][0005]在特征线法的计算过程中，沿着轨迹进行输运扫描计算边界角通量的过程是程序的核心计算部分，输运扫描是指遍历所有的轨迹，并且遍历每条轨迹的每个线段，运用特征线法公式进行计算的过程。如公式3中所示，其中g表示能群，s表示沿着特征线的长度，a表示轨迹角度索引，r表示空间区域索引。边界角通量指沿着轨迹线段计算到达系统或区域边界的角通量数据，包括轨迹的入射中子角通量和轨迹的出射中子角通量。
[0006][0007]当轨迹被几何网格截成不同长度的线段后，根据线段的入射中子角通量线段和网格信息等计算线段的出射中子角通量出射中子角通量又作为下一线段的入射中子角通量，直到到达系统边界。轨迹到达几何边界后会根据边界条件的不同将出射中子角通量传递给下一条轨迹作为其入射中子角通量。当采用区域分解并行的方式进行计算时，轨迹段到达并行区域分解边界终止，边界角通量将被发送到相邻的进程以在下一次迭代中使用。
[0008]为了使特征线法能够得到高精度计算解，需要增加特征线的密度以及网格的精细程度，导致程序的计算量和存储量增加，采用并行化的方式提高特征线法程序的计算效率成为了该研究的重点和难点之一。
[0009]目前国内外对于特征线法中子输运程序的并行化主要有共享内存的线程级并行和分布式内存的进程级并行。虽然单节点多线程的方式可以获得很好的加速比，但是不能
解决特征线法对单处理器内存的巨大需求，为了适应规模较大的复杂堆芯结构求解，必须采用跨节点多进程的并行模式。采用区域分解的方式分解几何数据是最普遍也是比较有效的一种并行方式。将整个计算区域划分为多个区域在不同节点进行计算，导致轨迹在区域边界处截断，引入轨迹边界角通量的进程间通信。Willianm Boyd等在OpenMOC中采用四边形区域分解的方式对均匀堆芯结构进行并行计算，从20进程到200进程，并行效率从87％下降到67％，如果进程数量增加，可能会得到更低的并行效率。
[0010]导致并行效率下降的主要原因就是进程间通信量占比的增加，通信量的增加直接影响程序的并行效率，导致无法扩大程序的计算规模，如何减少进程间通信时间以提高程序的并行效率是区域分解并行的研究重点之一。
[0011]此外，特征线法中子输运扫描计算的核心是大量的浮点数运算，采用加速卡设备(如曙光DCU)也能够有效的提高程序的计算效率，但是引入设备加速计算的同时也引入了主机端(host)和设备端(device)之间的数据拷贝的操作，所以如何减少主机端与设备端之间的数据拷贝时间是采用设备加速程序所要研究的重要部分。但是，目前对于如何减少进程间通信时间以及主机端与设备端之间的数据拷贝时间，以提高程序的并行效率的问题，尚无有效的解决手段。

技术实现思路

[0012]本专利技术提供了一种面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法及装置，以解决大规模并行特征线方法中子输运计算系统的并行效率低的技术问题。
[0013]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0014]一方面，本专利技术提供一种面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，适用于采用区域分解并行算法和特征线法的中子输运计算系统，所述方法包括：
[0015]采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，使得输运计算和进程间通信在运行时间上至少部分重叠；
[0016]当主机端和加速卡设备端进行协同计算时，采用多流异步调用的方式，实现设备端上的输运计算和主机端与设备端间的数据拷贝在运行时间上至少部分重叠；其中，所述流指的是在所述设备端上一个以预设顺序执行的操作队列。
[0017]进一步地，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，包括：
[0018]采用MPI非阻塞通信的方式，将进程间通信交给预设的通信硬件去完成，在所述通信硬件进行进程间通信的同时，所述主机端进行输运计算。
[0019]进一步地，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，还包括：
[0020]为每一个进程初始化缓冲区，所述缓冲区包括发送缓冲区和接收缓冲区；其中，所述发送缓冲区用于存储当前进程需要向其邻居进程发送的轨迹数据，所述接收缓冲区用于存储当前进程从其邻居进程接收的轨迹数据；所述轨迹数据包括轨迹的边界角通量、轨迹的方向以及所连接的轨迹的ID；
[0021]在进程间通信时，当前进程循环遍历其所有的邻居进程的发送缓冲区。
[0022]进一步地，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相
邻进程间通信进行重叠优化，还包括：
[0023]每个缓冲区一次存放L条轨迹的轨迹数据，一次传输完成后，再将新的轨迹数据打包到缓冲区中，循环重复此过程直至当前进程与其所有邻居进程完成所有轨迹数据的通信；其中0＜L＜N
tracks
/2，N
tracks
是需要发送或接收的轨迹总数。
[0024]进一步地，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，还包括：
[0025]将主机端的输运计算以分批次的方式进行，每次进行T
c
条轨迹的输运计算；其中，
[0026][0027]式中，W
c
表示当前主机端所分配到的待输运计算的轨迹数量，N
tracks
表示总的待输运计算的轨迹数量，L表示每个缓冲区中一次存放的轨迹数据的数量。
[0028]进一步地，所述设备端包括：从所述主机端到所述设备端的数据拷贝引擎、从所述设备端到所述主机端的数据拷贝引擎以及计算引擎；在所述设备端中，对于命令的处理采用流的方式，即在同一流中，所有的操作只能够顺序执行。
[0029]进一步地，所述采用多流异步调用的方式，实现设备端上的输运计算和主机端与设备端间的数据拷贝在运行时间上至少部分重叠，包括：
[0030]采用分批的方式，生成N
stream
个流，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，适用于采用区域分解并行算法和特征线法的中子输运计算系统，其特征在于，所述方法包括：采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，使得输运计算和进程间通信在运行时间上至少部分重叠；当主机端和加速卡设备端进行协同计算时，采用多流异步调用的方式，实现设备端上的输运计算和主机端与设备端间的数据拷贝在运行时间上至少部分重叠；其中，所述流指的是在所述设备端上一个以预设顺序执行的操作队列。2.如权利要求1所述的面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，其特征在于，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，包括：采用MPI非阻塞通信的方式，将进程间通信交给预设的通信硬件去完成，在所述通信硬件进行进程间通信的同时，所述主机端进行输运计算。3.如权利要求2所述的面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，其特征在于，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，还包括：为每一个进程初始化缓冲区，所述缓冲区包括发送缓冲区和接收缓冲区；其中，所述发送缓冲区用于存储当前进程需要向其邻居进程发送的轨迹数据，所述接收缓冲区用于存储当前进程从其邻居进程接收的轨迹数据；所述轨迹数据包括轨迹的边界角通量、轨迹的方向以及所连接的轨迹的ID；在进程间通信时，当前进程循环遍历其所有的邻居进程的发送缓冲区。4.如权利要求3所述的面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，其特征在于，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，还包括：每个缓冲区一次存放L条轨迹的轨迹数据，一次传输完成后，再将新的轨迹数据打包到缓冲区中，循环重复此过程直至当前进程与其所有邻居进程完成所有轨迹数据的通信；其中0＜L＜N
tracks
/2，N
tracks
是需要发送或接收的轨迹总数。5.如权利要求4所述的面向异构众核架构的并行特征线法输运扫描方法，其特征在于，所述采用MPI非阻塞通信的方式，将中子输运特征线法的输运计算和相邻进程间通信进行重叠优化，还包括：将主机端的输运计算以分批次的方式进行，每次...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡长军，曹敏，汪岸，丁哲昭，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：