电子结构计算的数值方法与理论

第一原理电子结构计算已成为探索与研究物质机理、理解与预测材料性质的重要手段和工具.虽然第一原理电子结构计算取得了巨大的成功，但是如何利用高性能计算机又快又好地计算大规模体系，如何从数学角度理解电子结构模型的合理性与计算的可靠性和有效性，依然充满各种挑战.基于密度泛函理论的第一原理电子结构计算的核心数学模型为Kohn-Sham方程或相应的Kohn-Sham能量泛函极小问题.近年来，人们分别从非线性算子特征值问题的高效离散及Kohn-Sham能量泛函极小问题的最优化方法设计两个方面对电子结构计算的高效算法设计及分析展开了诸多研究.本文重点介绍我们小组在电子结构计算的方法与理论方面的一些进展，同时简单介绍该领域存在的困难与挑战.     

适合于求解边界元方程组的GMRES算法的实用化和并行化研究

为了将GMRES算法应用于大型边界元方程组的求解，采用预条件技术和重正交技术相结合的方法实现了该算法的实用化，然后在实用化的基础上针对迭代算法具有良好并行性的特点，研究了该算法在网络机群环境下的并行化技术。数值试验和分析表明所用的这些技术是行之有效的，对于提高求解速度和增大求解问题的规模是有意义的。     

结构模态分析的有限元并行模拟

以子结构模态综合分析为基础,提出一种求解大型结构特征值问题的并行解法．采用子结构模态综合算法,结构特征模态采用子空间迭代方式并行求解．这种子空间迭代法的子结构并行计算的实施是利用子结构的刚度阵和质量阵而不必完全组集系统刚度阵和质量阵求解综合系统的特征值问题．数值结果表明这种求解大型结构特征值问题的并行算法是可行有效的．     

一种基于新型查表方法的统一计算设备架构并行计算全息算法

为解决点源法计算全息速度较慢的问题,提出了一种新的查表算法,命名为三角函数查表法(T-LUT算法)。该算法是基于点源法基本的数学公式,通过一系列数学近似与恒等变换,生成了一种纯相位查找表,该查找表具有三维特性,并具有生成速度快、精度高、占用内存少等特点,克服了点源法重复计算相位的缺点。同时采用统一计算设备架构(CUDA)并行计算在图形处理器(GPU)上加以实现,并进行了三次并行优化。在算法的验证与对比实验中,采用单显卡(GPU显卡)实现T-LUT算法,在不牺牲全息图再现像质量的前提下,成功地将点源法计算全息的速度大幅度提升。实验发现在不同的物空间采样点数量的情况下,速度相对于点源法GPU运算提升30倍至近千倍不等。     

大规模声学边界元法的GPU并行计算

提出一种大规模声学边界元法的高效率、高精度GPU并行计算方法.基于Burton-Miller边界积分方程,推导适于GPU的并行计算格式并实现了传统边界元法的GPU加速算法.为提高原型算法的效率,研究GPU数据缓存优化方法.由于GPU的双精度浮点运算能力较低,为了降低数值误差,研究基于单精度浮点运算实现的double-single精度算法.数值算例表明,改进的算法实现了最高89.8％的GPU使用效率,且数值精度与直接使用双精度数相当,而计算时间仅为其1/28,显存消耗也仅为其一半.该方法可在普通PC机(8GB内存,NVIDIA GeForce 660 Ti显卡)上快速完成自由度超过300万的大规模声学边界元分析,计算速度和内存消耗均优于快速边界元法.     

基于JASMIN框架的抛物方程有限差分解法并行计算及其应用

抛物方程有限差分解法的网格步长严格受波长限制,在求解城市小区电波传播问题时,计算速度明显变慢,为此,基于JASMIN框架研究了抛物方程有限差分解法的并行方法,通过将同一步进面划分成多个网格片,并分配到不同的处理器进行运算,实现了抛物方程有限差分解法的并行计算。与解析解的对比验证了并行程序的正确性,同时通过实例分析了并行程序的高效性,算例表明,抛物方程有限差分解法的求解效率得到了有效的提高。最后,模拟和分析了某一电信基站天线在包含9栋规则建筑物的城市小区环境中的电磁特性,结果表明,该方法能够得到基站在空间各处的信号覆盖强弱,可以为基站选址提供参考。     

基于格子Boltzmann方法的多孔介质流动模拟GPU加速

利用NVIDIA CUDA平台,在GPU上结合稀疏存贮算法实现基于格子Boltzmann方法的孔隙尺度多孔介质流动模拟加速,测试该算法相对基本算法的性能.比较该算法在不同GPU上使用LBGK和MRT两种碰撞模型及单、双精度计算时的性能差异.测试结果表明在GPU环境下采用稀疏存贮算法相对基本算法能大幅提高计算速度并节省显存,相对于串行CPU程序加速比达到两个量级.使用较新构架的GPU时,MRT和LBGK碰撞模型在单、双浮点数精度下计算速度相同.而在较上一代的GPU上,计算精度对MRT碰撞模型计算速度影响较大.     

建筑风压数值模拟的几种并行化策略

针对四个处理机的Ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ并行计算机系统，建立了建筑风压数值模拟问题基于ＳＩＭ－ＰＬＥＣ算法的几种并行化策略：分区并行策略、方程并行策略和双重并行策略。对各种策略的计算流程、数据通讯及并行效率等进行了分析和比较，并通过实例计算作了验证。     

用多色染色理论实现有限元刚度矩阵并行组集

根据多色染色理论，在同一节点有任意多个单元邻接的情况下，对有限元的单元进行了分类；在刚度矩阵组集时，同类单元可以并行计算，从而提高了组集效率．该并行算法在PVM(并行虚拟机器)并行平台上进行了具体实现，取得了较好的并行效率．     

闪光X射线辐射照相蒙特卡罗程序并行设计

研究了闪光X射线辐射照相蒙特卡罗程序在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。通过算例,采用多CPU并行计算,可以成比例地提高加速比和计算效率。