基于多核TBB加速的激光等离子体互作用PIC模拟研究

【摘要】：由于传统的不可再生资源如煤、石油、天然气等急剧减少而且对环境污染较大,寻找清洁的、可再生的资源变得越来越重要。惯性约束聚变能够获得清洁能源,是解决能源问题和环境问题的重要方法之一。快点火方式是实现惯性约束聚变的重要途径之一,吸引了很多学者对其进行研究,在其中的激光等离子体互作用数值模拟方面,粒子模拟方法已经成为颇具潜力且已被应用广泛的研究手段。粒子模拟程序具有并行性强的优点,因此大部分粒子模拟程序,特别是应用于激光等离子体互作用领域的具有超大计算负担的均已经或正在被并行化。程序并行化研究是提高程序运行效率的一个重要方法。将串行运行的粒子模拟程序进行并行化改进可以缩短运算时间、提高运算效率。同时,21世纪,计算机领域正在发生着一场计算方式的革命。Intel、AMD以及其他芯片制造商不断推出在单晶片上集成多重处理单元的新型芯片,用于取代过去的单一中心处理器。各种多核并行的程序设计方法,如Intel TBB,Open MP,MPI等工具的发展也为我们提供了可行的并行设计方法。本论文以电子科技大学开发的包含碰撞效应的相对论激光等离子体互作用PIC/MCC软件LPICMCC++为基础,以其激光等离子体互作用求解器为研究重点,发展基于多核编程工具Intel TBB的并行PIC程序,论文工作主要包括:1.对粒子模拟方法进行简单介绍,并对几种多核并行的方法进行介绍和对比,总结出运用Intel TBB对已有的激光等离子体互作用PIC程序进行并行改写的优势。2.对LPICMCC++激光与等离子体互作用求解器的数理模型和数值模拟算法进行推导,包括横向场和纵向场的求解、运动方程的求解,以及电荷源和电流源的求解,为后续准确地提出激光与等离子体互作用求解器的TBB并行方案奠定了基础。3.对激光与等离子体互作用求解器进行多核TBB并行加速研究。包括程序热点的分析、程序的并行化改写、数据竞争的检测和消除以及加速比的测量等。4.利用并行激光与等离子体互作用求解器对快点火过程中超短超强激光与等离子体的互作用过程进行模拟研究,详细分析了模拟过程中场和粒子随时间和空间的演化过程。将并行求解器和串行求解器的模拟结果进行了对比,两者结果相一致,从而验证了并行化的正确性。