基于gpu的粒子模擬并行方法研究

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1、ｒｆ４ｉ種成＊葦ｌＬＩＣｓＨＮＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡｉＮＩＶＲＳＩＴＹＯＦＥＥＣＴＲＯＮｃＩＥＮＣＥＡＭＤＴ巨Ｃ巨ｉｆ碩±學(xué)位論文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳｒ論文題目基于ＧＰＵ的粒子模擬并行方法硏究￣￣￣削頓Ｌ—■■學(xué)２０１３２１０４０１１０１作者姓劉鴦｜｜ｒ指導(dǎo)教師劉大剛副教授ｉ■…，獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研巧成果。據(jù)我所知，除了文

2、中特別加［＾標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得一電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：考日期年＾月日１達(dá)化論文使用授權(quán)本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部口或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，’允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可采

3、用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）作者簽名：苗毒導(dǎo)師簽名：．曰期：年＾月１／曰分類號密級UDC學(xué)位論文基于GPU的粒子模擬并行方法研究劉騫指導(dǎo)教師劉大剛副教授電子科技大學(xué)成都申請學(xué)位級別碩士學(xué)科專業(yè)等離子體物理提交論文日期2016.5.15論文答辯日期2016.5.18學(xué)位授予單位和日期電子科技大學(xué)2015年6月答辯委員會主席評閱人AResearchofEM-PICParallelComputingBasedonGPUAMasterThesisSu

4、bmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:PlasmaPhysicsTechnologyAuthor:QianLiuSupervisor:DagangLiuSchool:SchoolofPhysicalElectronics摘要摘要粒子模擬方法（PIC）是通過計(jì)算機(jī)跟蹤模擬大量粒子運(yùn)動及其與電磁環(huán)境互作用來仿真電子器件在真實(shí)環(huán)境下工作狀態(tài)的一種方法。隨著高性能計(jì)算的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)模擬成為研究物理理論及開發(fā)新型器件的主要過程之一。通過計(jì)算機(jī)

5、模擬，不僅可以預(yù)測模型的各項(xiàng)參數(shù)，還能更加直觀的觀測模型中的粒子運(yùn)動軌跡，是現(xiàn)代物理理論研究的重要過程。而在電磁粒子模擬計(jì)算中，程序運(yùn)算尤其耗時，這使得開發(fā)更高效快速的設(shè)備及程序更為重要。而使用PC進(jìn)行模擬仿真時，加入GPU并行計(jì)算優(yōu)化代碼能有效地提高運(yùn)算速度。本論文的工作內(nèi)容主要是針對電磁粒子模擬軟件的并行算法進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)GPU環(huán)境下的并行加速程序，主要內(nèi)容包括：1.研究幾種GPU構(gòu)架的運(yùn)算效率，實(shí)現(xiàn)基于Fortran語言的GPU并行程序。實(shí)現(xiàn)OpenACC，CUDA及串行計(jì)算的矩陣相乘計(jì)算，比較計(jì)算效率并對比計(jì)算結(jié)果。

6、分析兩種GPU并行的優(yōu)劣，及優(yōu)化方案。2.建立基于CUDA的電磁粒子模擬并行模型。按照模型中結(jié)構(gòu)合理劃分線程，將模型中電磁迭代計(jì)算問題分解到GPU各項(xiàng)線程中并行處理，分析每步迭代間交換GPU與CPU的數(shù)據(jù)訪存效率。3.三維電磁粒子模擬軟件CHIPIC-3D并行化的應(yīng)用研究。實(shí)現(xiàn)了三維電磁粒子模擬軟件CHIPIC-3D基于GPU的并行計(jì)算功能。針對電磁場迭代部分流程做并行化的修改和優(yōu)化以達(dá)到加速，并應(yīng)用并行化之后的CHIPIC-3D軟件完成對矩形波導(dǎo)，磁絕緣傳輸線（MITL）等多種器件的模擬仿真。4.針對軟件中粒子模擬計(jì)算部分

7、目前仍然存在的問題和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)，提出可能實(shí)現(xiàn)的解決方案，為將來的研究打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：三維電磁粒子模擬，GPU，OpenACC，CUDAFortranIABSTRACTABSTRACTElectromagneticparticle-in-cell(PIC)simulationmethodisamethodthatsimulationthemovementofparticlesandtheinteractionbetweenparticlesandElectromagneticenvironment.Bythi

8、smethod,wecansimulationVacuumElectronicDevicesandpredictiontheoperativemodeofthem.Asthewideapplicationofcomputertechnology,simulationthroughcompu