束流模拟软件的MIC异构并行技术研究

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现代高能物理研究需要使用高能量的粒子加速器,加速器束流动力学模拟软件具有重要的实用意义。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。MIC是由Intel公司推出的一系列架构产品的总称,包括MIC(Many Integrated Core),Knights系列(如KnightsCorner,KNC),Intel Xeon Phi(英特尔至强融核)等产品,用于解决高度并行计算问题。由于使用MIC开发对本身CPU程序改动量极小,兼容性极好等优点,MIC技术自2012年推出以来便受到高性能领域科研及开发人员的极大关注,经过英特尔公司技术人员及高性能领域科研人员等几年时间的努力,该平台日趋成熟和完善,科研成果日渐显露。因此使用MIC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。  本文介绍了一个3维基于MIC的异构直线加速器并行束流动力学模拟软件NEWBEAM-MIC的开发进展。目的是使用最新的超级异构计算机提高束流动力学模拟软件的性能,更好地完成加速器的设计和优化工作。这个软件模拟了DTL和SOLENOID加速器装置中粒子的运动状态。NEWBEAM-MIC是在NEWBEAM-CPU软件基础上,将模拟设备部分和粒子推进部分分配到MIC卡上运行,从而利用MIC多线程的优势使计算加速的。通过实际测试,这个软件在天河二号上使用100个CPU核和100块MIC卡可以模拟109个粒子,其中DTL场力计算、SOLENOID场力计算和粒子推进三个部分均可以比仅使用1 CPU+1 MIC的NEWBEAM软件有将近100倍的加速效果。再考虑MIC卡上的多线程,对同样规模的粒子,使用1 CPU+1 MIC,当MIC线程数开到最大(224)时,NEWBEAM-MIC可以比1CPU+IMIC,每块MIC开启单线程串行计算方式加速100倍以上。这表明本文开发的基于MIC的异构软件可以很好地加速原有的CPU软件,发挥现有MIC异构超级计算机的潜在性能。  本文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NEWBEAM-MIC软件的优势和现状及将来进一步的研究展望。
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