闪光X射线照相蒙特卡罗程序的并行化

研究了闪光X射线辐射照像蒙特卡罗程序(FXRMC)在MPI平台下的并行计算实现,给出了实现过程中并行随机数的产生方法。对并行程序的测试结果表明:并行程序与串行程序结果一致,加速比比较理想,呈线性增长,并行效率在16个处理器上可达80%以上。算例的结果说明了并行化可有效地解决程序计算散射技术性能时的耗时问题,从而有效化解FXRMC耗时和大规模计算的困难,提高了FXRMC程序的计算规模和计算速度,达到了研究要求。 (Institute of Fluid Physics, CAEP, P. O. Box 919-105, Mianyang 621900, China)     

基于MPI的分子对接并行算法

基于消息传递接口(Message Passing Interface,MPI),用两种不同的并行程序设计方法对Autodock程序进行修改.将修改后的程序应用于HIV-1蛋白酶(Protease)和小分子抑制剂XK263的对接体系,测试了并行程序的加速比和并行效率.结果表明,两种改进的并行Autodock程序都可以很好地完成计算,尤其是方案Ⅱ并行程序的加速比和并行效率更高.     

MCNP-4C多粒子输运蒙特卡罗程序的MPI并行化

MCNP程序是由美国Los Alamos国家实验室研制的一个大型、多功能的粒子输运蒙特卡罗程序，可计算任意三维复杂几何系统内的中子、光子、电子或中子-光子-电子耦合输运问题，还可计算临界系统的多种本征值问题。MCNP程序的用户遍及全球，国内用户保守估计也在百家以上，过去主要应用在核科学领域，如今已推广到包括医学在内的许多领域。由于蒙特卡罗计算具有数据独立、循环粒度大、负载均衡的特性。因此，很适合作并行计算。虽然从MCNP-4A程序开始，MCNP程序具有了PVM并行计算功能，但并行系统的开发一直存在这样那样的问题，以致无法正常运行。由于MCNP程序有巨大的计算需求和计算量，我们每年使用MCNP程序完成的计算量就超过万CPU小时。许多问题采用串行计算，时间周期太长。因此，迫切需要研究缩短计算周期的并行程序。     

并行平台上的CFD第一部分:标准的建立

为解决分布式网络并行技术在计算流体力学应用中的主要问题,提出了"并行平台上的CFD通用界面标准”.应用该CFD通用界面标准简化了传统的CFD程序改为并行程序的工作,使不同的CFD核心程序可以方便而快捷的改为并行程序,应用于不同的算例中;提高了CFD并行程序的移植性,CFD核心层同并行边界层无需作任何改动就可应用到不同的并行平台上.在这个标准基础上开发了基于WINDOWSNT系统的WINSOCK并行平台,搭建了基于LINUX系统的PVM并行平台.     

三维多物质弹塑性流体动力学Euler方法的并行算法研究及程序测试

 并行计算是解决爆炸与冲击问题大规模数值模拟最有效的手段之一。针对Euler方法并行程序设计的复杂性,阐述了三维多物质弹塑性流体动力学程序MMIC-3D并行设计的总体策略,基于消息传递接口(MPI)设计出相应的PMMIC-3D并行程序,并提出了一套实用的程序测试方案。结合聚能射流形成过程的数值模拟算例,在八节点的集群上测试了加速比、并行效率及可扩放性,分析了影响并行性能的因素。     

三维光滑粒子流体动力学并行计算程序

介绍了基于消息传递并行程序设计平台研制的三维光滑粒子流体动力学并行程序CSPH3D.包括计算格式、并行方案、并行程序逻辑,以及加快邻域粒子搜索的处理方法.对三维微喷射和斜侵彻的计算表明:CSPH3D程序可以较好地计算这类问题.并且程序具有较高的并行效率.对于粒子总数为1527402的微喷射算例和粒子总数为1454225的斜侵彻算例,使用100个处理器时,并行效率可以达到80%.     

二维多群辐射输运程序LARED-R-1的并行化

利用有向图描述数据依赖关系,应用已有的并行流水线通量扫描算法,实现基于非协调网格的二维辐射输运程序LARED-R-1的并行化.同时,采用消息缓冲技术提高并行程序的性能.经测试,对于典型的问题规模(100群、3800个网格单元、40个方向),在某并行机的64个和128个处理器上,并行程序分别获得80%和53%的并行效率.     

基于JASMIN框架多物理耦合程序的性能优化及分析

基于并行应用支撑软件框架JASMIN的辐射流体与粒子输运耦合程序RHSn2D,采用最小邦元固定处理器数目的并行策略,计算实际模型的并行规模扩展至8192核,并行效率约为16%.集成程序时间分析,验证软件框架底层MPI并行环境聚合通信对于并行优化算法(尤其是辐射流体计算时间)的影响.     

三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D

设计了基于区域分解的三维粒子模拟的并行算法,基于消息传递环境(MPI)编制了三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D(PlasmaSimulator分别取前3个字母,3D表示三维).对激光与低密度等离子体薄靶相互作用问题作了粒子模拟计算,验证了该并行程序.最后在高性能并行机上测试并分析了并行性能,获得了接近线性的加速比.     

多核环境下潮汐分析辅助软件并行绘制技术研究

为方便科研人员使用Baytap-G潮汐分析软件,基于C#.NET程序设计语言设计了一套潮汐分析辅助软件,实现了Baytap-G软件的封装,完成了输入数据格式的自动转换、输出数据的自动提取,以及水位、振幅、相位数据的可视化展示;在介绍C#.NET语言中任务(TASK)并行编程模型的基础上,详细讨论了绘制振幅、相位图任务分解、并行化程序设计考虑及其实现;实验结果表明,合理设计并行程序可以充分利用多核计算机的计算资源,提升程序运行效率,但是过多的任务数、不均匀的工作负载通常会影响并行程序的效率。     

MPI在蒙特卡罗程序GMT中的应用和发展

针对ADS颗粒靶概念的研究和设计,中国科学院近代物理研究所自主研发了蒙特卡罗模拟软件GMT。为了提高GMT程序的计算效率,研究了MPI在GMT中的应用和发展,实现了大规模随机数在进程中的随机分配,并采用快速读写文件的方式替代了MPI相关数据通信函数,极大地提高了计算效率。并研究了不同规模计算实例进程数、加速比、效率之间的关系,确定了最大加速进程数及并行效率最高时的进程数,为科研工作者在计算资源和计算效率之间选择最优计算方案提供了科学依据。MPI在GMT中的成功应用使计算资源得到了充分、高效的利用,极大地提高了计算效率,解决了蒙特卡罗方法中大规模事件模拟计算时间长、计算不稳定等问题,在散裂靶大规模扫描计算中发挥了重要的作用。For the research and design of the ADS granular-flow target concept, the Institute of Modern Physics, CAS has developed a Monte Carlo simulation software (GPU-accelerated Monte Carlo Transport program, GMT). In order to improve the computational efficiency of the GMT program, development and application of MPI in GMT were studied, to realize random distribution of the large-scale random number in the sub processes. Rapid reading and writing files were employed instead of the MPI data communication function, which greatly improves the computational efficiency. Different scale calculations were performed to study the relationship of process instance number, speedup to find the maximum acceleration process number and the number of processes when parallel efficiency is highest, which provides a scientific basis for researchers to optimize the computational program between computational resources and computation efficiency. The successful application of MPI in GMT, utilizes the computing resources fully and efficiently, improves the computational efficiency, solve the long time cost and unstable problem of Monte Carlo method in large-scale event simulations, plays an important role in the large-scale scanning calculation of the spallation target.     

Analysis of communication costs for domain decomposed Monte Carlo methods in nuclear reactor analysis

A domain decomposed Monte Carlo communication kernel is used to carry out performance tests to establish the feasibility of using Monte Carlo techniques for practical Light Water Reactor (LWR) core analyses. The results of the prototype code are interpreted in the context of simplified performance models which elucidate key scaling regimes of the parallel algorithm.     

Multi-level Monte Carlo finite volume methods for nonlinear systems of conservation laws in multi-dimensions

We extend the multi-level Monte Carlo (MLMC) in order to quantify uncertainty in the solutions of multi-dimensional hyperbolic systems of conservation laws with uncertain initial data. The algorithm is presented and several issues arising in the massively parallel numerical implementation are addressed. In particular, we present a novel load balancing procedure that ensures scalability of the MLMC algorithm on massively parallel hardware. A new code is described and applied to simulate uncertain solutions of the Euler equations and ideal magnetohydrodynamics (MHD) equations. Numerical experiments showing the robustness, efficiency and scalability of the proposed algorithm are presented.     

非定常粒子输运蒙特卡罗散射源分层抽样方法

定常粒子输运蒙特卡罗并行计算是成功的,因为粒子游动是独立的,可以把模拟的粒子数等分到每个处理器去.然而,对非定常问题,由于每个时间步涉及散射源和几何网格的通讯,它严重的制约了并行规模,导致并行不可扩展.研究了两种算法,采用自适应分配处理器,提高了加速比和处理器的利用率;采用蒙特卡罗分层抽样大大降低了处理器之间散射源的通讯量,并行可扩展性显著改善,取得了理想的加速比.     

非弹性核反应对质子束能量沉积的影响

提出了一种比较精确且又省时的质子穿透的解析算法,并给出了考虑核反应后50—250MeV质子在水中的能量沉积,与Monte-Carlo方法的结果进行了比较.结果表明:1)非弹性核反应对质子的能量沉积有明显的影响,特别是对较高能量的质子束入射情况;2)该方法计算效率比Monte Carlo方法高百倍以上.因此,本文方法解决了质子能量沉积计算中效率和精度之间的矛盾,有可能在质子束放射治疗中得到实际应用. 关键词： 质子能量沉积 核反应 截面     

Benchmark measurements and simulations of dose perturbations due to metallic spheres in proton beams

Monte Carlo simulations are increasingly used for dose calculations in proton therapy due to its inherent accuracy. However, dosimetric deviations have been found using Monte Carlo code when high density materials are present in the proton beamline. The purpose of this work was to quantify the magnitude of dose perturbation caused by metal objects. We did this by comparing measurements and Monte Carlo predictions of dose perturbations caused by the presence of small metal spheres in several clinical proton therapy beams as functions of proton beam range and drift space. Monte Carlo codes MCNPX, GEANT4 and Fast Dose Calculator (FDC) were used. Generally good agreement was found between measurements and Monte Carlo predictions, with the average difference within 5% and maximum difference within 17%. The modification of multiple Coulomb scattering model in MCNPX code yielded improvement in accuracy and provided the best overall agreement with measurements. Our results confirmed that Monte Carlo codes are well suited for predicting multiple Coulomb scattering in proton therapy beams when short drift spaces are involved.     

热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

惯性约束聚变研究中,热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一.隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程,但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时,该方法花费的计算时间将变得很长,导致模拟效率很低.本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础,开发了"离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序",可以较好地解决重介质区的计算效率问题,但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高.辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质,为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题,本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法,并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法,研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序.典型辐射输运问题模拟显示:在模拟重介质问题时,该程序能大幅缩短模拟时间,且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果;在模拟轻重介质均存在的问题时,与隐式蒙特卡罗方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.     

物理溅射的Monte Carlo模拟

模拟载能离子在固体传输及原子碰撞级联过程的Monte Carlo程序TCIS,已用于考察物理溅射问题。溅射过程中,低能原子碰撞是很重要的。因此,本文详细研究了二体碰撞计算中时间积分τ的数值大小及其对溅射计算的影响。对TCIS模拟溅射物理模型、输入参数作了介绍,并给出某些模拟研究结果。模拟程序可提供溅射的原子水平的信息,这对于开展有关机理的研究是很有用的。