FDTD算法的局域网并行研究

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时域有限差分法(FDTD)在计算电磁学中被广泛的应用。FDTD算法公式简洁直观,适合求解各类电磁工程问题和可视化计算的实现,计算过程需要在FDTD网格中递推求解空间电磁场值,处理大规模的电磁仿真问题为了保证计算精度和稳定条件,需要增加的FDTD的网格量,使计算机内存的需求庞大,并且求解时间过长,一般的计算机无法运行这样计算过程,这成为了FDTD应用的主要瓶颈。随着计算机硬件和机群平台的性能提高,高性能的并行计算应用领域也更加广泛。本文采用局域网内的并行技术结合FDTD算法,以空间区域剖分策略离散FDTD区域,同时FDTD算法本身具有良好的并行性。调用MPI消息传递函数完成离散计算区域边界电磁场数据的通信,使用数据收集技术完成每个节点计算完成后的离散数据的主机输出,使完整的FDTD区域在并行机群系统中各个节点并行计算求解,并优化并行过程,测试并行计算的性能。本文结合微波实验室的硬件条件,并行计算机群的搭建分为并行硬件平台、软件平台、编程模式三个部分。硬件基础为现有的以实验室路由器建立的局域网环境和个人计算机节点。软件平台主要包括基于MPI消息传递策略的并行软件运行平台和编程软件开发平台两个方面。并行编程模式选择主从编程模型编写计算程序代码,编写和维护两部分程序代码,这样更适合现有的硬件结构,同时使得计算程序的稳定性和扩展性增强,更适合后期对于并行计算的优化。本文提出了利用动态剖分并行区域策略,按需分配并行系统内各节点承担计算量的概念。传统的优化如并行粒度大小或者利用OpenMP与MPI结合实现两级并行的方式都不能从根本上实现系统内资源的有效利用。动态剖分策略过程是测试各节点的计算性能,根据返回主机的归一化的性能指标分配计算量。FDTD程序在并行系统中执行前都会测试一下性能,每次都是根据归一化指标进行计算量分配。另一个研究内容在于并行FDTD技术的数据结构用指针代替了数组。传统参数使用数组。数组定义直观,声明简单,编程难度小,存在两个缺点:声明数组空间和初始化的过程浪费计算资源过多和数组确定后经常会出现计算的数据溢出的情况。指针可以弥补这样的缺点,正确灵活地使用指针,使得并行FDTD的计算程序更简洁、紧凑和高效。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第10-16页
    1.1 课题背景及研究的目的和意义第10-12页
        1.1.1 研究背景第10页
        1.1.2 高性能计算简介第10页
        1.1.3 并行计算第10-11页
        1.1.4 并行计算的实现第11页
        1.1.5 问题求解与并行第11页
        1.1.6 研究的目的和意义第11-12页
    1.2 国内外研究现状第12-15页
    1.3 本文的主要研究内容第15-16页
第2章 时域有限差分法理论基础第16-24页
    2.1 引言第16页
    2.2 时域有限差分法第16-21页
        2.2.1 差分的概念第16-17页
        2.2.2 时域有限差分法理论第17-21页
    2.3 时域有限差分法的几个关键问题第21-23页
        2.3.1 网格数值色散第21页
        2.3.2 稳定性分析第21-22页
        2.3.3 边界条件第22-23页
    2.4 本章小结第23-24页
第3章 并行计算技术第24-31页
    3.1 引言第24页
    3.2 并行计算的软件平台第24-26页
        3.2.1 MPI 发展简介第24页
        3.2.2 MPI 通信规则第24-25页
        3.2.3 点对点的通信函数第25-26页
    3.3 并行计算的硬件平台第26-28页
        3.3.1 并行计算机硬件系统的分类第26页
        3.3.2 并行计算机群第26页
        3.3.3 共享存储并行计算系统第26-27页
        3.3.4 分布存储并行计算系统第27-28页
        3.3.5 分布式共享存储并行计算系统第28页
    3.4 并行计算的编程模式第28-29页
        3.4.1 SPMD 编程模式第28-29页
        3.4.2 MPMD 编程模式第29页
    3.5 本章小结第29-31页
第4章 并行时域有限差分法第31-46页
    4.1 引言第31页
    4.2 并行FDTD 的区域分割第31-33页
    4.3 并行FDTD 相邻区域间的数据交换第33-35页
        4.3.1 电场通信第33-34页
        4.3.2 磁场通信第34-35页
    4.4 并行FDTD 子域交界面的定义第35-39页
        4.4.1 电磁场数值的双数据流的交换第35-37页
        4.4.2 电磁场数值的单数据流的交换第37-38页
        4.4.3 重叠网格的数据流的交换第38-39页
    4.5 并行FDTD 计算数据收集第39-43页
    4.6 并行FDTD 的计算性能第43-45页
        4.6.1 并行计算机群系统内存的扩展第43-44页
        4.6.2 并行计算系统性能的评估第44-45页
    4.7 本章小结第45-46页
第5章 局域网环境下FDTD 并行机群搭建第46-63页
    5.1 引言第46页
    5.2 局域网的并行计算机群实现第46-54页
        5.2.1 基于局域网的并行软件平台第48页
        5.2.2 并行程序编译器的安装与设置第48-50页
        5.2.3 电磁场并行时域有限差分法算法的运行环境第50页
        5.2.4 实验室并行计算机群的MPICH 网络搭建第50-54页
    5.3 局域网的并行算法第54-57页
    5.4 并行FDTD 算法的编程第57-62页
        5.4.1 区域的剖分第57页
        5.4.2 场值的通信和计算第57-59页
        5.4.3 数据的收集第59-60页
        5.4.4 存储和输出第60-62页
    5.5 本章小结第62-63页
第6章 并行FDTD 计算的优化及算例应用第63-77页
    6.1 引言第63页
    6.2 传统的FDTD 并行计算程序优化第63-64页
    6.3 动态的FDTD 优化策略第64-67页
        6.3.1 FDTD 拓扑结构的构架第64页
        6.3.2 云计算特点第64-65页
        6.3.3 动态均衡策略第65-67页
        6.3.4 并行FDTD 代码数据体的优化第67页
    6.4 并行FDTD 的应用第67-74页
        6.4.1 FDTD 空间中心点波源和行波源第67-69页
        6.4.2 矩形波导的传输特性第69页
        6.4.3 并行FDTD 的测试第69-74页
    6.5 测试结果分析第74-76页
        6.5.1 加速因子第74-75页
        6.5.2 并行效率第75-76页
    6.6 本章小结第76-77页
结论第77-78页
参考文献第78-84页
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果第84-86页
致谢第86页
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