[发明专利]基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化方法及系统。其中，该方法包括将同一目标进程的宇宙粒子数据打包且一次性传输至主核的相应进程，以分离MPI通信过程与宇宙N体数值模拟计算过程；在主核中将各个相同目标进程的宇宙粒子数据形成各个粒子对应的粒子包并按照数字形式从小到大逐个标记各个粒子包的ID值；构建任务列表，每个任务对应一对粒子包，将任务列表中的所有任务平均分配至各个从核上，保证各个从核的负载均衡；在各个从核上利用多项式来拟合erfc函数和exp函数，利用拟合的erfc函数和exp函数求解各个任务中每对粒子的相互作用力，得到从核计算结果；将各个从核计算结果均上传至主核进行汇总，实现宇宙N体的数值模拟。

技术领域

本发明属于数值模拟优化领域，尤其涉及一种基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

PhotoNs-2.0是国家天文台开发的一款宇宙N体数值模拟的软件，用于解决空间大尺度结构的形成演化，进而帮助研究包括宇宙物质分布、星系形成以及暗物质和能量等问题的本质，在神威超算平台上的移植和应用具有重要的意义。

在模拟粒子动力学系统中，每个粒子在物理力的影响下与所有其他粒子相互作用。对于物理力的计算都需要进行长程力和短程力的计算。在本软件中物理力的计算采用PM(Particle Meshmethod)和FMM(Fast Multipole Method)相结合的方式。其中PM是指粒子网格算法，被用于长程引力的计算；FMM是指快速多极子算法，被用于短程引力的计算。

“神威·太湖之光”是计算速度世界第三的超级计算机，也是目前国内计算速度最快的超级计算机。这样的计算机应当充分应用于科研及生产的各个领域，才能最大程度的体现出他的价值。“神威·太湖之光”搭载的是国家完全自主设计的“申威26010”众核处理器，具有不同于Intel及AMD等处理器的独特架构。“申威26010”处理器含有1个主核和1个从核阵列，从核阵列共有64个从核组成，按8*8的方式分布，每个从核的性能同主核基本相同，且每个从核都有自己的局部存储器(LDM)，每个LDM大小为64K，从核访问LDM的效率等同于主核访问L2 Cache的效率。神威架构支持Fortran、C、C++编程语言，但是要同时使用主从核进行程序加速，需要用到神威自主设计的Athread加速线程库和SIMD扩展线程库。发明人发现，PhotoNs-2.0代码在神威平台上的初始移植版本的性能表现欠佳，其没有充分利用硬件资源，造成硬件资源浪费，且宇宙N体数值模拟速度慢的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化方法及系统，其能够充分利用神威架构的硬件资源，提高宇宙N体的数值模拟速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供一种基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化方法，包括：

将同一目标进程的宇宙粒子数据打包且一次性传输至主核的相应进程，以分离MPI通信过程与宇宙N体数值模拟计算过程；

在主核中将各个相同目标进程的宇宙粒子数据形成各个粒子对应的粒子包并按照数字形式从小到大逐个标记各个粒子包的ID值；

构建任务列表，每个任务对应一对粒子包，将任务列表中的所有任务平均分配至各个从核上，保证各个从核的负载均衡；

在各个从核上利用多项式来拟合erfc函数和exp函数，利用拟合的erfc函数和exp函数求解各个任务中每对粒子的相互作用力，得到从核计算结果；

将各个从核计算结果均上传至主核进行汇总，实现宇宙N体的数值模拟。

本发明的第二方面提供一种基于神威架构的宇宙N体数值模拟优化系统，包括：