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Subject: 计算机应用::计算机仿真
Title:
基于 CUDA 的粒子模拟并行技术研究
Author: 杜克伟
Issued Date: 2015-05-26
Supervisor: 徐进
Major: 计算机应用技术
Degree Grantor: 中国科学院研究生院
Place of Degree Grantor: 北京
Degree Level: 硕士
Keyword: CUDA ; 直线加速器 ; 粒子模拟 ; PIC ; 泊松方程
Abstract: 高能粒子直线加速器是采用沿直线轨道分布的高频电磁场加速电子、质子和其它重
离子的装置。根据加速粒子的不同分为电子直线加速器、质子加速器、重离子直线加速
器等。加速器不仅在科研领域有着广泛的应用,在医学上也用于癌症的放射治疗。近年
来超级计算机技术得到了突飞猛进的快速发展。与此同时,粒子加速模拟在设计和优化
粒子加速器中扮演着越来越重要的角色。随着超级计算机技术的快速发展,使得利用超
级计算机强大的计算能力进行超大规模粒子加速模拟成为可能。
利用超级计算机技术的优势,开发出能够充分利用计算资源模拟各种能量和高密度
的直线加速器模拟软件具有非常重要的意义。CUDA(Compute Unified Device Architec
ture)是显卡厂商 NVIDIA 推出致力于通用大规模并行计算的基础平台。自推出以来便受
到从事高性能计算工作人员的追捧,经过十几年的不断更新,该平台日趋成熟和完善。该
平台可以使传统的图形处理器 GPU 能够解决复杂的大规模并行计算问题。基于该平台所
编写出的程序可以在支持 CUDA™的图形处理器上以超高性能运行。因此使用 CUDA 架构的
超强的并行计算能力为大规模粒子加速模拟提速是一个非常值得尝试和有意义的工作。
本文介绍了基于 CUDA 架构开发的三维异构并行束流动力学模拟软件 LOCUS3DG 的开
发进展。该软件是基于课题组以前开发的并行束流模拟软件 LOCUS3D,该软件采用双精
度数据类型,为了利用单精度数据并行通讯量小的特点,本论文研究了使用单精度和双
精度两种数据类型的情况,并研究了相应的泊松方程求解器在 CUDA 异构环境下的性能。
在国家超算天津中心的集群上对开发的算法和软件进行了详细的测试,得到了较好的测
试结果。论文最后总结了开发的异构束流模拟软件 LOCUS3DG 软件 的优势和现状及将来
进一步的研究展望。
English Abstract: High-energy  particle  linear  accelerator  is  a  device  that  can  accelerate  electrons,  proto
ns  or  other  heavy  ions  using  linear  high-frequency  electromagnetic  field  along  a  straigh
t  track.  According  to  the  accelerated  particles,  it  can  be  classified  into  electron  linear
accelerators,  proton  linear  accelerators,  heavy  ion  linear  accelerator  and  so  on.  Not  onl
y  in  the  field  of  scientific  research  been  widely  used,  but  it  also  been  used  in  medicin
e  used  for  radiation  therapy  of  cancer.  In  recent  years,  supercomputer  technology  has  r
apid  development.  Meanwhile,  the  particle  acceleration  simulation  plays  an  increasingly
  important  role  in  the  design  and  optimization  of  particle  accelerators.  With  the  rapid
development  of  supercomputer  technology,  ultra  large-scale  simulations  of  particle  accel
eration  on  supercomputers  have  come  true.
Making  full  use  of  supercomputer  to  developed  simulation  software  for  a  variety  of
high-energy  and  high-density  linear  accelerator  has  very  important  significance.  CUDA
(Compute  Unified  Device  Architecture)  is  launched  by  GPU  manufacturers  NVIDIA  an
d  committed  to  the  basis  of  general  large-scale  parallel  computing  platform.  Since  its  l
aunch,  it  has  been  engaged  in  the  pursuit  of  high-performance  computing,  after  years  o
f  constantly  update,  the  platform  has  become  increasingly  mature  and  powerful.  The  pl
atform  can  make  use  of  traditional  GPU’scapability  of  massively  parallel  computing  to
solve  complex  problems.  Based  on  this  platform  one  can  develop  software  that  has  hig
h  performance  using  CUDA  ™  supported  graphics  processor.  Therefore,  the  use  of  CU
DA  architecture  for  large-scale  parallel  computing  to  accelerate  the  simulation  of  particl
e  acceleration  is  worth  to  try  and  is  a  meaningful  work.
This  article  describes  the  development  progress  of  three-dimensional  heterogeneous  p
arallel  beam  dynamics  simulation  software  LOCUS3DG  based  on  CUDA  architecture.  T
he  software  is  based  on  parallel  beam  simulation  software  LOCUS3D,which  is  develo
ped  by  our  research  group  previously.  It  uses  double  precision  data  types.  In  order  to
take  the  advantage  of  less  amount  of  parallel  communication  orf  single-precision  data,
this  thesis  uses  two  data  types,  single-precision  and  double-precision,  to  study  the  corre
sponding  Poisson  solver  based  on  CUDA.  On  the  National  Supercomputer  Center  in  Ti
anjin,  algorithms  and  software  have  been  developedand  detailed  tests  have  been  performed  with  good  results.  Finally,  the  thesis  summarizes  the  advantages  and  status  of  the
  development  of  heterogeneous  beam  dynamics  simulation  software  LOCUS3DG  and  gi
ves  further  prospects  in  future  research.
Language: 中文
Content Type: 学位论文
URI: http://ir.iscas.ac.cn/handle/311060/17099
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杜克伟. 基于 CUDA 的粒子模拟并行技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015-05-26.
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