A GPU parallel computing strategy for the material point method

The material point method (MPM), which is a combination of the finite element and meshfree methods, suffers from significant computational workload due to the fine mesh that is required in spite of its advantages in simulating large deformations. This paper presents a parallel computing strategy for the MPM on the graphics processing unit (GPU) to boost the method’s computational efficiency. The interaction between a structural element and soil is investigated to validate the applicability of the parallelisation strategy. Two techniques are developed to parallelise the interpolation from soil particles to nodes to avoid a data race; the technique that is based on workload parallelisation across threads over the nodes has a higher computational efficiency. Benchmark problems of surface footing penetration and a submarine landslide are analysed to quantify the speedup of GPU parallel computing over sequential simulations on the central processing unit. The maximum speedup with the GPU used is ∼30 for single-precision calculations and decreases to ∼20 for double-precision calculations.     

锡山市西部地区地下水资源计算模型研究

从地下水运动均衡原理的角度分析了锡山市西部地区第Ⅱ承压含水层天然和现状开采条件下的地下水均衡要素,揭示了该地区地下水开采与地面沉降的关系,其中现状开采条件下的75%～80%的开采量来自于粘性土层的压密释水量;同时,根据地面沉降的发生机理剖析地面沉降严重发育地区忽略地面沉降影响因子建立的地下水资源计算模型中存在的问题,提出了地下水可开采资源合理的计算方法,并对考虑地面沉降影响因子的地下水资源计算模型的可实现性进行了分析。     

并行模拟技术在苏锡常地区地下水流模型建立中的应用

在苏锡常地区建立了一般意义上的重叠型多个不规则子域FEM并行模型,然后利用区域分解法在MPI环境中实现了并行求解算法,并使用C++完成了MPI环境中的混合编程设计。通过常州无锡两地实际并、串行应用结果比较,并行模拟具有数据资料准备相对简单且精度高的特点,是解决大型化、复杂化地下水流问题的一种可行方案。     

基于MPI的快速富里叶变换并行算法

随着并行计算技术的快速发展 ,数据处理、信息处理等应用领域处理问题规模的日益增大 ,对并行计算的需求也越来越迫切。这里给出一种基于可移植消息传递界面 (MPI)标准的一维快速富里叶变换并行算法 ,可应用于分布式存储并行计算机系统     

基于GPU实现汉克尔变换并行计算

地球物理勘探技术日新月异,地球物理勘探数据的处理和解释对高性能计算机的要求越来越高.相比于地震勘探,重力、磁法、电法勘探中的并行计算研究还都处于起步阶段.基于GPU的并行计算能够提供强大的计算能力和存储器带宽,同时具有良好的可编程性、较低的成本和较短的开发周期.这里实现了瞬变电磁法一维正演计算中汉克尔变换基于GPU的并行计算,比较了汉克尔变换串行算法和并行算法的计算耗时,基于GPU技术的并行计算相比串行计算,获得了很高的加速比.     

集群计算在数字流域模型中的应用

随着计算机技术的发展,以消息传递接口(MPI)标准为代表的高性价比集群计算技术使并行计算在大量传统的专业领域也得到了广泛应用.数字流域模型因需要对大范围流域进行分布式的水文、泥沙过程模拟而提出了较大规模的计算需求.同时,基于分水岭的单元划分方式和专门的河网编码方法使数字流域模型的并行化计算具有先天优势.提出了一种典型的并行调度流程,用于完成产汇流计算的动态任务分配.在自主搭建的MPI计算集群上进行的应用实验表明,集群计算提高了数字流域模型的计算效率,能够作为模型的计算平台.最后指出了此应用计算平台的发展方向.     

地下水污染源识别的数学方法研究进展

地下水污染源识别模型可利用有限的观测资料估计污染源位置、污染物泄露强度及其泄露过程,是制定地下水污染修复方案的依据。在阐明地下水污染源识别基本问题基础上,综述了污染源识别研究的两大类数学方法,一类为直接方法,包括反向追踪法和基于正则化的方法;另一类为间接方法,包括基于优化的方法和基于概率统计的方法。同时指出了当前污染源识别数学方法应用中存在的主要问题:地下水污染源识别问题的复杂性、地下水有机污染问题和模型求解效率的低下性。对土壤-地下水的联合管理、基于物联网的地下水污染监测、对非水相流体（Non-aqueous Phase Liquid,NAPL）类污染源识别以及基于图形处理器（GPU）的异构并行计算将是未来研究的重点方向。     

gLucifer: next generation visualization framework for high-performance computational geodynamics

High-performance computing provides unprecedented capabilities to produce higher resolution 4-D models in a fraction of time. Thus, the need exists for a new generation of visualization systems able to maintain parity with the enormous volume of data generated. In attempting to write this much data to disk, each computational step introduces a significant performance bottleneck, yet most existing visualization software packages inherently rely on reading data in from a dump file. Available packages make this assumption of postprocessing at quite a fundamental level and are not very well suited for plotting very large numbers of specialized particles. This necessitates the creation of a new visualization system that meets the needs of large-scale geodynamic modeling. We have developed such a system, gLucifer, using a software framework approach that allows efficient reuse of our efforts in other areas of research. gLucifer is capable of producing movies of a 4-D data set “on the fly” (simultaneously with running the parallel scientific application) without creating a performance bottleneck. By eliminating most of the human efforts involved in visualizing results through postprocessing, gLucifer reconnects the scientist to the numerical experiment as it unfolds. Data sets that were previously very difficult to even manage may be efficiently explored and interrogated without writing to disk, and because this approach is based entirely on memory distributed across as many processors as are being utilized by the scientific application, the visualization solution is scalable into terabytes of data being rendered in real time.     

基于OpenMP的非连续变形分析并行计算方法

非连续变形分析（DDA）方法严格满足平衡要求和能量守恒,具有完全的运动学及数值可靠性,但对大规模岩土工程问题的数值模拟耗时太长,尤其是线性方程组求解,并行计算可以很好地解决该问题。首先基于DDA方法的基本理论,阐述了适用于DDA方法中的基于块的行压缩法和基于“试验-误差”迭代格式的非零位置记录;其次,引入块雅可比迭代法并行求解DDA方法的线性方程组,并改进了相应的非零存储方法;最后,基于OpenMP实现了DDA线性方程组求解并行计算,并将其应用于地下洞室群的破坏过程分析,以加速比为并行效率的指标评价,结果表明,该并行计算策略可以极大提高DDA的计算效率,而且适合各种规模的问题。     

基于粗细网格的有限元并行分析方法

并行计算己成为求解大规模岩土工程问题的一种强大趋势。探讨了粗细网格与预处理共轭梯度法结合的并行有限元算法。从多重网格刚度矩阵推得有效的预处理子。该算法在工作站机群上实现。用地基处理时土体强夯的数值模拟分析进行了数值测试,对其并行性能进行了详细分析。计算结果表明：该算法具有良好的并行加速比和效率,是一种有效的并行算法。     

大型洞室群软岩置换方案优化的并行实现

并行计算己成为求解大规模岩土工程问题的一种强大趋势 。 以水布娅大型洞室群软岩置换方案优化为例 , 探讨了方案优化中的并行计算问题,分析了并行计算中的编程模式 、 任务划分 、负载平衡和编程方法等问题,在 W id n o w s 环境下的 PC 机群上成功实现了软岩置换方案优化的并行计算,并获得了近乎线性的加速比 , 从而大大提高了方案优化的计算速度和效率 , 为岩土工程计算并行化思路提供了重要参考 。     

基于MPI环境的并行程序设计

MPI(Message Passing Interface)是消息传递并行程序设计的标准之一,概述了MPI的概念和组成,着重介绍了支持并行程序设计的消息传递接口(MPI)以及在MPI环境下的并行程序设计方法,并给出一个MPI并行程序设计实例,说明了MPI的程序设计流程和主从并行计算流程,由此提出了一个Master/Slave结构的设计模式。     

Simulation-based calibration of geotechnical parameters using parallel hybrid moving boundary particle swarm optimization

Simulation-based optimization methods have been recently proposed for calibrating geotechnical models from laboratory and field tests. In these methods, geotechnical parameters are identified by matching model predictions to experimental data, i.e. by minimizing an objective function that measures the difference between the two. Expensive computational models, such as finite difference or finite element models are often required to simulate laboratory or field geotechnical tests. In such cases, simulation-based optimization might prove demanding since every evaluation of the objective function requires a new model simulation until the optimum set of parameter values is achieved. This paper introduces a novel simulation-based “hybrid moving boundary particle swarm optimization” (hmPSO) algorithm that enables calibration of geotechnical models from laboratory or field data. The hmPSO has proven effective in searching for model parameter values and, unlike other optimization methods, does not require information about the gradient of the objective function. Serial and parallel implementations of hmPSO have been validated in this work against a number of benchmarks, including numerical tests, and a challenging geotechnical problem consisting of the calibration of a water infiltration model for unsaturated soils. The latter application demonstrates the potential of hmPSO for interpreting laboratory and field tests as well as a tool for general back-analysis of geotechnical case studies.     

Interactive visualization of 3D mantle convection

The current availability of thousands of processors at many high performance computing centers has made it feasible to carry out, in near real time, interactive visualization of 3D mantle convection temperature fields, using grid configurations having 10–100 million unknowns. We will describe the technical details involved in carrying out this endeavor, using the facilities available at the Laboratory of Computational Science and Engineering (LCSE) at the University of Minnesota. These technical details involve the modification of a parallel mantle convection program, ACuTEMan; the usage of client–server socket based programs to transfer upwards of a terabyte of time series scientific model data using a local network; a rendering system containing multiple nodes; a high resolution PowerWall display, and the interactive visualization software, DSCVR. We have found that working in an interactive visualizastion mode allows for fast and efficient analysis of mantle convection results. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

基于EBE方法的三维有限元并行计算

在水利工程中,施工过程的模拟、动力的时域分析、开裂计算等,都对大规模并行计算提出了迫切的需求。然而,基于高斯消去的有限元直接解法,通常会占用大量的内存,并花费大量的CPU时间。而水利工程中的问题多为大带宽问题,这些问题更为突出。基于EBE-PCG方法的有限元方法,可以避免形成整体刚度矩阵,进而,显著减少内存的需求。而且,这种方法可以有效地并行实现,为大规模数值计算提供了可能。采用基于EBE策略的Jacobi预处理共轭梯度法,编制了有限元计算程序,并成功应用于溪洛渡、锦屏等工程的大规模数值分析。结果表明,对水利工程中的大带宽问题,该方法是一种很有效的并行计算方法。     

基于高性能并行计算的隧道开挖数值模拟

随着岩土工程规模的不断扩大、复杂性的增加以及计算参数的多样化和计算精度的提高, 人们对于计算机计算能力的要求越来越高, 然而单处理器无法满足这类大规模计算.从数据输入、区域分解、线性方程组的迭代求解、后处理等方面详细阐述高性能计算平台上并行有限元求解大规模岩土工程的关键问题.提出了利用MPI2的新特性进行海量数据的分段并行读入, 采用ParMetis软件并行地进行区域分解, 实现了前处理过程的完全并行化; 采用基于Jacobi预处理技术的预处理共轭梯度法(PCG)进行线性方程组的并行迭代求解; 采用Paraview软件实现了后处理的并行可视化.在深腾7000系统上对某隧道工程的三维开挖过程进行了数值模拟, 对其并行性能进行了分析和评价, 验证了采用的区域分解算法和系统方程组的求解方法的可行性, 并且具有较高的加速比和并行效率.      

大区域地下水模拟的预优并行GMRES(m)算法研究

大区域研究区由于涉及范围大、水文地质参数复杂多变,一直是进行地下水数值模拟的热点和难点。针对大区域地下水模拟的特点,在MPI环境中对Krylov子空间GMRES(m)算法的并行性进行分析,提出基于区域分解法的并行实现策略,并对不同的预条件子的加速效果进行比较。数值实验结果表明:并行GMRES(m)算法在求解大区域三维地下水模型时可以显著的加快求解速度,且具有较好的可扩展性。另外,Jacobi预条件子与GMRES算法的组合具有更优的加速比和执行效率,是一种求解大型化、复杂化地下水水流问题的可行方案。     

GPU提速叠前时间体偏移技术

为了进一步提高叠前时间体偏移的计算效率,实现了在GPU＼CPU协同并行计算模式下Kirchhoff叠前时间体偏移技术,并进行优化。经在Nvida Tesla C1060GPU上的测试表明,GPU（Graphic Processing Unit）的处理速度是CPU（单核）的四十倍左右。同时表明,CUDA（Cornpute Unified Device Architectarc）编程为CPU向GPU的转化提供了一个较为方便的语言环境。     

曙光4000A上三维叠前深度偏移并行计算的应用设计

波动方程叠前深度偏移在地震勘探成像处理方面起着不可替代的作用。随着高性能大规模并行计算机技术的发展,波动方程叠前深度偏移计算在地震勘探中的应用有了很大进步。在波动方程叠前深度偏移处理中,庞大的数据规模与海量计算对计算性能提出了很高的要求。曙光4000A超级计算机系统是我国目前峰值速度最快的商用超级计算机系统,无论是硬件平台建设还是应用软件的配置方面,都具有良好的应用性能。基于该系统设计的三维波动方程叠前深度偏移(炮域)PSDM软件,采用动态负载平衡并行计算模式,具有较高的计算效率,高度的可扩展性和可靠性。     

基于区域分解法的地下水有限元与边界元耦合模型—淄博市王旺庄水源地地下水数值模拟

区域分解法（DDM）是20世纪90年代兴起的一种求解偏微分方程的新方法，方法本身独到的耦合思想和高效的并行计算机理，对于求解复杂的、大型的地下水问题具有相当的优势和广阔的应用前景。本文以淄博市王旺庄水源地地下水流模型为例，应用重叠型区域分解法（DDM）构造了边界单元法（BEM）与有限单元法（FEM）耦合模型，在两种数值方法各自优点的基础上，更形象地再现了实际水文地质原型，有效地消除了人为边界造成的流场失真。