如何在LINUX下并行运行数值模式

针对运行数值模式的目的，着重介绍Linux系统的安装、编译和并行环境的建立，以及相关软件的编译安装。所用软件都可以通过Internet网获得，十分适合基层台站建立并行计算机系统，解决计算机资源和实际业务发展的矛盾，为精细化预报提供基础，同时也适合科学研究。     

基于J-Earth领域编程框架的高效并行大气环流模式(H-GAMIL)构建

高性能并行计算,一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而,随着计算机技术的发展,计算机体系结构越来越复杂,以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法:基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth,构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后,结合J-Earth的特点,采用面相对象的编程方式,对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点,并具有自动二维剖分、MPI(Message Passing Interface)和Open MP(Open Multi-Processing)混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制,串行IO等问题。在此基础上,本文对H-GAMIL进行了并行效率测试,结果显示,模式水平分辨率为1°(纬度)×1°(经度)时,可使用上千处理器核,并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性;同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析,其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性,并且具有与原模式相当的模拟性能,能够满足气候研究的计算需求,达到实用程度。     

二维水动力模型的并行计算研究

建立了二维水动力并行模型;针对MPI不能实现进程迁移现状,自主开发了并行通讯平台,平台机群负载平衡采用基于蚁群算法的人工智能算法,并根据模型需要制定了相关通讯协议;对长江内江段进行数值模拟,结果表明当网格数一定时,存在一最优客户端数,当客户端数小于最优客户端数时,并行算法所需时间小于串行算法时间,并随着客户端数增加,所需时间也逐渐减少;反之,所需时间则逐渐增大。     

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。     

微机小型网络并行计算系统的搭建与讨论

详细讨论了微机网络并行计算(集群系统)的模式(包括抽象模型和物理模型)、网络分层协议和协议.着重研究了基于消息传递接口的并行计算环境.使用语言编写了并行测试程序,并分析了测试结果.利用微机来架构并行计算环境,有较高的性能价格优势和较大的可扩展性,使微机解决大运算量问题成为可能.     

CUDA环境下地形因子的并行计算

为了满足栅格数据空间分析的高性能计算需求,本文以坡度计算为例,提出在CUDA环境下将串行地形因子算法进行并行优化的方法:根据地形因子计算过程中无数据相关性,适合进行数据并行计算的特点,将CPU上可以并行执行的计算任务通过CUDA并行处理机制映射到GPU线程块上,从而提高计算效率。试验测试了不同栅格规模下串行算法和并行算法的执行时间差异,测试结果表明,并行地形因子算法的性能明显优于串行算法,在网格规模为12800×11200时,获得最高串-并加速比24.39。     

基于包含检验法的多边形栅格化并行算法研究

随着对地观测技术的快速发展和数据规模的急剧增长,矢量数据快速栅格化已成为业界关注的重要研究内容。该文将并行计算技术应用于矢量多边形栅格化中,探索了矢量数据划分方法、边界栅格单元处理方法等关键问题,设计并实现了基于包含检验法的矢量多边形栅格化并行算法。基于土地利用现状数据对并行算法的精度、并行效率等进行了测试与分析。试验证明,在进程数不超过CPU核数时,并行算法的加速比随进程数增长显著;而当进程数达到CPU核数以后,并行算法加速比总体趋于稳定。并行效率与数据的划分方式、数据的存储方式密切相关,划分方式的正确与否将直接关系到算法的并行效率。     

二级并行独立成分分析端元提取算法

在多对称处理器集群体系结构下进行独立成分分析并行算法研究,在共享内存模型一级并行算法基础上,通过同步、异步迭代两种方式并行计算固定点函数,分别提出具有两级并行特性的二级同步、二级异步并行端元提取算法,并结合两者的优势,进一步提出二级分组并行算法。实验评价表明,二级同步、分组并行算法在保持原算法精度的同时,大大提高了原算法的效率,体现出良好的并行计算性能,而二级异步并行算法可在节点数较少的情况下适用。     

基于Abaqus软件的并行计算异构集群平台的搭建

在异构集群上充分利用新、旧硬件资源调度计算任务是实现集群高性能并行计算的难点。通过测试已搭建集群服务器的CPU和内存对Abaqus软件计算速度的影响,发现CPU的主频对Abaqus/Explicit模块计算速度的影响大,CPU的缓存对Abaqus/Standard模块速度影响大;当内存满足计算任务的最小需求时,增加内存对计算速度无任何影响;当内存不足时,计算速度会大幅减慢。据此测试结果,新增4台服务器作为计算节点和一台Infiniband QDR交换机作为交换节点,搭建了新的异构集群,性能测试结果表明:相对于千兆以太网络交换机I,nfiniband QDR交换机的并行计算效率更好,且集群的计算节点越多越显著;Abaqus/Standard模块并行计算效率的提高幅度要比Abaqus/Explicit模块的稍高一些。针对异构集群硬件构架相差较大的2批新、旧硬件,设置了2个管理节点、2个网络节点、2个存储节点,充分利用了新、旧硬件资源,高效地实现了在一个异构集群平台上提交与下载任务。     

唐山大地震近场宽频带地震动模拟

基于唐山地区大量的钻孔和波速测量等资料以及京津唐地区地壳结构模型,建立了唐山地区三维地下速度结构模型.利用宽频带地震动模拟方法模拟了 1976年唐山大地震的近场地震动,给出了极震区加速度时程和反应谱,并与烈度分布以及其他研究结果进行比对,本研究可为唐山市防震减灾提供参考.