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基于cpu-gpu异构平台的实体单元实现与应用

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基于CPU-GPU异构平台的实体单元实现与应用

作者：康海波哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高层建筑因其结构复杂,结构中往往存在大量复杂的巨型节点;同时随着高层建筑结构的建模越来越精细化,特别是多尺度分析方法的发展,使用实体单元进行结构动力弹塑性分析已经越来越重要。采用实体单元进行建模分析时,因为实体单元要求模... 详细信息

高层建筑因其结构复杂,结构中往往存在大量复杂的巨型节点;同时随着高层建筑结构的建模越来越精细化,特别是多尺度分析方法的发展,使用实体单元进行结构动力弹塑性分析已经越来越重要。采用实体单元进行建模分析时,因为实体单元要求模型单元网格划分精细,导致单元数目、模型自由度数和模型整体刚度矩阵巨大,所以对有限元软件的计算能力提出了很高的要求。然而目前国内外有限元分析软件多采用基于cpu串行计算的模式,计算耗时问题突出。兼顾精度和效率成为了利用实体单元进行大规模有限元分析的瓶颈。本文通过利用gpu强大的并行计算能力结合cpu串行计算和逻辑处理能力,建立基于cpu-gpu异构平台的实体单元,实现了利用实体单元模型对结构进行兼顾精度和效率的静力和动力数值分析。主要内容如下:基于cpu-gpu异构平台的实体单元建立。本文基于Visual Studio编译环境,在CUDA架构下构建了cpu-gpu异构计算平台,并根据实体单元理论和钢筋混凝土三维材料本构关系模型理论,编制基于cpu-gpu异构平台的实体单元模型子程序。研究并编写了基于gpu并行计算的单元刚度矩阵并行算法。阐述了异构平台数据前、后处理的方式。成功搭建了可对实体单元模型进行线弹性分析和弹塑性分析的cpu-gpu异构平台。基于cpu-gpu异构平台的实体单元弹性分析。本文采用cpu和gpu混合编程的方法,cpu负责进行数据的前后处理和逻辑算法的执行,gpu负责大规模数据的并行计算。针对静力和动力分析,分别采用了预处理共轭梯度法和Newmark-β法,并结合实体单元理论,编写了可对实体单元模型进行弹塑性分析的有限元分析程序。通过与自编cpu串行计算程序、通用有限元软件ABAQUS计算结果进行对比,验证了基于cpu-gpu异构平台的实体单元程序用于结构弹性分析的精确性和高效性。通过不同单元数下加速比的对比分析了影响异构平台加速性能的因素。基于cpu-gpu异构平台的实体单元弹塑性分析。通过增加编写三维混凝土材料弹塑性本构关系子程序、考虑材料弹塑性的实体单元应力状态子程序和单元刚度更新子程序,完善了cpu-gpu异构平台的实体单元有限元分析程序。并将自编有限元程序应用于实体单元静力和动力弹塑性分析。通过算例,与自编的cpu串行计算和通用有限元软件ABAQUS计算结果进行对比,验证了基于cpu-gpu异构平台的实体单元程序用于结构弹塑性分析的精确性和高效性,通过不同单元数下加速比的对比分析了影响异构平台加速性能的因素。结合cpu-gpu异构平台的弹性分析部分,给出了一套针对高层建筑结构抗震、精确高效的、可扩展的实体单元有限元分析异构平台。

关键词：实体单元 cpu-gpu异构平台有限元程序加速比弹塑性分析

基于异构计算平台下的金融衍生品定价模型的快速实现分析与研究

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基于异构计算平台下的金融衍生品定价模型的快速实现分析与研究

作者：汪瑜斌贵州财经大学

学位级别：硕士

本工作旨在海量数据的金融衍生品领域使用cpu-gpu异构计算机硬件平台快速实现欧式期权定价,该平台的优点一方面利用了cpu芯片的逻辑判断功能,另一个方面发挥了gpu芯片强大的计算功能,为本工作最后结果的快速准确提供了保证。在本工作中... 详细信息

本工作旨在海量数据的金融衍生品领域使用cpu-gpu异构计算机硬件平台快速实现欧式期权定价,该平台的优点一方面利用了cpu芯片的逻辑判断功能,另一个方面发挥了gpu芯片强大的计算功能,为本工作最后结果的快速准确提供了保证。在本工作中采用普通Monte Carlo模拟方法和one-step Monte Carlo模拟方法来对欧式期权定价,整个定价过程中将两种模拟方法都进行了串行计算模拟和并行计算模拟,模拟结果在符合大数定律的情况下欧式期权模拟价格出现收敛效果,模拟效率高。使用Monte Carlo模拟方法最重要的是它的随机数部分,要想工作最后结果稳定快速,正态随机数的生成至关重要,本工作通过采用乘同余算法加Box-Muller算法来生成正态分布的随机数用于两种蒙特卡洛模拟方法。使用普通Monte Carlo模拟方法对欧式期权定价,首先在工作环境中建立其串行定价模型并得出结果,然后在此基础上将该模型移植到并行工作环境下实现Monte Carlo并行化模拟得出结果,通过串行模拟和并行模拟的比较,分析结果表明单线程、多线程和并行三种模式下的定价结果一致,且随着并行规模的增大结果误差在逐渐减少。One-step Monte Carlo模拟方法使用SABR模型对普通Monte Carlo模拟方法进行校正,在欧式期权定价中较普通的Monte Carlo模拟方法更为精确,使用该方法模拟欧式期权定价,在使用相同数据的情况下,使用该模拟方法计算结果更为准确。本工作的创新点为在异构计算平台上使用one-step Monte Carlo模拟方法,并将该方法进行串行和并行模拟比较,准确快速得出定价结果。

关键词： cpu-gpu异构平台金融衍生品定价 Monte Carlo模拟 one-step Monte Carlo模拟

基于预处理BICGSTAB法的电力系统潮流并行计算方法

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电力系统保护与控制 2020年第20期48卷 18-28页

作者：宋晓喆魏国李雪王长江孙福寿李振元国网吉林省电力有限公司吉林长春130000 东北电力大学电气工程学院吉林吉林132012

为实现大规模电力系统潮流的准确、快速求解,以非精确牛顿法为基础,提出一种基于cpu-gpu异构平台的电力系统潮流并行计算方法。修正方程组的求解是牛拉法潮流计算中最为耗时的部分,提升修正方程组的求解效率可有效提升潮流计算效率。为... 详细信息

为实现大规模电力系统潮流的准确、快速求解,以非精确牛顿法为基础,提出一种基于cpu-gpu异构平台的电力系统潮流并行计算方法。修正方程组的求解是牛拉法潮流计算中最为耗时的部分,提升修正方程组的求解效率可有效提升潮流计算效率。为此,根据雅可比矩阵的不对称不定性,采用稳定双正交共轭梯度(bi-conjugate gradient stabilized,BICGSTAB)法进行修正方程组的求解。进一步,为改善BICGSTAB法的收敛性,根据雅可比矩阵的稀疏性和类对角占优性,提出一种改进PPAT(Preconditioner with sparsity Pattern of AT,PPAT)预处理器和改进Jacobi预处理器相结合的两阶段预处理方法,并对雅可比矩阵进行预处理,提升BICGSTAB法的收敛性能。然后,将上述潮流算法移植到cpu-gpu异构平台,实现电力系统潮流的并行求解。最后,通过不同测试系统算例对所提方法进行验证、分析。结果表明,所提潮流并行计算方法可实现电力系统潮流的准确、快速求解。

关键词：潮流计算非精确牛顿法雅可比矩阵 BICGSTAB法预处理器 cpu-gpu异构平台

基于gpu的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

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工程力学 2021年第2期38卷 1-7页

作者：叶继红王佳中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室徐州221116 中国矿业大学徐州市工程结构火灾安全重点实验室徐州221116

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于cpu-... 详细信息

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于cpu-gpu异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的gpu多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、gpu线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。

关键词：离散单元法杆系结构几何非线性 gpu并行计算 cpu-gpu异构平台

面向cpu-gpu异构并行计算的代码生成关键技术研究

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面向CPU-GPU异构并行计算的代码生成关键技术研究

作者：赵耀东电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,通用计算图形处理器作为计算密集型应用的加速器,被科学家和工程师们广泛关注。在cpu-gpu异构并行计算平台上,诸如CUDA和OpenCL等编程框架都提供了相对底层的编程接口,以SIMT的调度方式和SPMD的编程模型解决数据并行问题。但是,... 详细信息

近年来,通用计算图形处理器作为计算密集型应用的加速器,被科学家和工程师们广泛关注。在cpu-gpu异构并行计算平台上,诸如CUDA和OpenCL等编程框架都提供了相对底层的编程接口,以SIMT的调度方式和SPMD的编程模型解决数据并行问题。但是,使用厂商提供的底层编程语言及接口不仅要求开发者深刻理解cpu-gpu异构并行计算平台的硬件架构,存储层次和执行模型,还需要开发者手动进行大量的诸如线程同步和存储优化等工作,使得利用cpu-gpu异构并行计算平台进行科学计算应用的开发非常困难,极易出错。机器学习,数据挖掘,图像处理等领域的发展对计算能力的要求不断提升,尽管Nvidia公司发布的CUDA使开发者可以利用C语言扩展进行并行计算程序的开发,但普通开发者利用cpu-gpu异构并行计算平台的能力依旧有限,因此迫切需要开发更简单、更易用、更高效的工具。本文提出了一套用于cpu-gpu异构并行计算平台编程的工具链:1.本文设计了面向大规模线性代数运算的RoyaL脚本语言。Roya L脚本语言从类型系统上支持矩阵等相关运算操作,并支持强类型语义检查。2.本文设计了将Roya L脚本语言程序转换为经过优化的CUDA程序的Roya编译框架,实现了抽象语法树、符号表、中间表示等重要模块,并在编译时的不同阶段对输入源代码进行多种类型的优化。这些工具为用户屏蔽了底层的硬件架构,存储层次及执行模型,并以高效的方式自动地处理cpu-gpu异构并行程序设计中一些易错的细节。为用户提供高层编程模型的RoyaL脚本语言和Roya编译框架不仅进行了一系列的诸如矩阵链乘法,矩阵链加减法的领域特定优化,还能自动地检测嵌套循环中的并行模式并抽取为内核函数在gpu上执行。在此基础上,本文设计了一系列对比实验来验证多种优化方法的有效性,展现了在多种场景下Roya编译框架生成的CUDA程序在运行时间开销上的收益。最后,本文总结了Roya编译框架在类型系统及分块并行上的不足,阐述了后续研究工作中的计划。

关键词： cpu-gpu异构平台编译框架优化代码生成计算统一设备架构

基于gpu加速的电力系统潮流并行计算方法研究

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基于GPU加速的电力系统潮流并行计算方法研究

作者：魏国东北电力大学

学位级别：硕士

潮流计算是电力系统安全稳定分析、故障计算、经济调度等问题的基础。准确、快速的潮流计算结果是电网安全可靠运行的重要保证。随着区域电网互联规模持续扩大、可再生能源大规模并网、电力电子装备大规模应用,电力系统潮流计算的规模... 详细信息

潮流计算是电力系统安全稳定分析、故障计算、经济调度等问题的基础。准确、快速的潮流计算结果是电网安全可靠运行的重要保证。随着区域电网互联规模持续扩大、可再生能源大规模并网、电力电子装备大规模应用,电力系统潮流计算的规模和复杂度急剧增加。同时,电网智能化进程不断加深,电网精细化运行要求不断提高,运行人员对电力系统潮流计算精度和效率提出了更高的要求。为实现大规模电力系统潮流的准确、快速求解,本文提出一种基于cpu-gpu异构平台的非精确牛顿法与两阶段预处理稳定双正交共轭梯度(bi-conjugate gradient stabilized,BICGSTAB)法相结合的电力系统潮流并行计算方法,主要内容如下:修正方程组的求解是牛顿-拉夫逊法潮流计算中最为耗时的部分,提升修正方程组的求解效率可有效提升潮流计算效率。为此,本文采用非精确牛顿法进行电力系统潮流松弛计算,以线性方程组的迭代求解法获取修正方程组的近似解;分析修正方程组的不同迭代求解方法,并根据雅可比矩阵的不对称不定性,采用BICGSTAB法进行修正方程组的求解;进一步,为改善BICGSTAB法的收敛性,根据雅可比矩阵的稀疏性和类对角占优性,提出一种改进 PPAT(Preconditioner with sparsity Pattern of AT)预处理器和改进 Jacobi 预处理器相结合的两阶段预处理方法,并对雅可比矩阵进行预处理,提升BICGSTAB法的收敛性能;最后,将上述算法移植到cpu-gpu异构平台,实现电力系统潮流的并行求解。通过不同测试系统算例对所提方法进行分析、验证,结果表明,本文所提基于cpu-gpu异构平台的潮流并行计算方法可实现电力系统潮流的准确、快速求解。

关键词：潮流计算非精确牛顿法 BICGSTAB法预处理器 cpu-gpu异构平台

电力系统静态电压稳定域边界并行计算方法研究

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电力系统静态电压稳定域边界并行计算方法研究

作者：张琳玮东北电力大学

学位级别：硕士

交直流电网互联规模不断扩大、可再生能源大规模并网,在改善电网大规模电能输送能力和优化电源结构的同时,也为系统电压稳定性带来巨大考验。电力系统静态电压稳定域（static voltage stability region,SVSR）是分析和评估系统电压稳定... 详细信息

交直流电网互联规模不断扩大、可再生能源大规模并网,在改善电网大规模电能输送能力和优化电源结构的同时,也为系统电压稳定性带来巨大考验。电力系统静态电压稳定域（static voltage stability region,SVSR）是分析和评估系统电压稳定性的直观而有力的工具。为提升区域互联电力系统静态电压稳定域边界（static voltage stability region boundary,SVSRB）的构建效率,本文以降阶直接法为基础,实现区域互联大规模电力系统SVSR的准确高效构建,主要研究内容如下:（1）提出一种基于松弛降阶直接法的SVSRB快速搜索方法。该方法以降阶直接法为基础,首先,对降阶直接法求解鞍结分岔（saddle node bifurcation,SNB）点时的收敛条件进行合理松弛,以改善算法收敛性能,提高SNB点求解效率;然后,根据SVSRB拓扑特性,基于边界追踪算法实现松弛降阶直接法求解SNB点时初值的高效选取,克服降阶直接法对初值敏感这一瓶颈。最后,通过多组标准测试系统对所提方法进行验证,结果表明所提松弛降阶直接法可实现SNB点的准确求取和SVSRB的高效构建。（2）针对降阶直接法带来的低维线性方程组数量增多的问题,提出一种基于cpu-gpu异构的SVSRB并行计算方法。该方法首先采用带雅可比与不完全LU分解相结合的两阶段预处理的稳定双共轭梯度法（biconjugate gradient stabilized method,BICGSTAB）法求解降阶直接法中的四组同系数低维线性方程组;再结合cpu-gpu异构平台,借助gpu的并行技术对BICGSTAB迭代法进行加速求解,而其他逻辑性强但计算量较低的部分由cpu完成,以实现SNB点的并行求解,克服降阶直接法计算量大、计算复杂度高的不足,从而提升SVSRB的搜索效率。最后,通过多组标准测试系统对所提方法进行验证,结果表明所提并行计算方法可实现SVSRB的快速、准确搜索,且具有很好的算法稳定性。

关键词：静态电压稳定域边界降阶直接法边界追踪法鞍结分岔点 cpu-gpu异构平台

基于gpu的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用——第29届全国结构工程学术会议特邀报告

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基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用——第29届...

第29届全国结构工程学术会议

作者：叶继红王佳中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室中国矿业大学徐州市工程结构火灾安全重点实验室

杆系DEM（离散元,DiscreteElementMethod）是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,本研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于cpu-... 详细信息

杆系DEM（离散元,DiscreteElementMethod）是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,本研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于cpu-gpu异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的gpu多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、gpu线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。

关键词：离散单元法杆系结构几何非线性 gpu并行计算 cpu-gpu异构平台

来源： cnki会议评论

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基于gpu的CR列式并行算法研究

基于GPU的CR列式并行算法研究