[發明專利]一種面向多核向量處理器的格子玻爾茲曼優化方法

有效

• 申請號: 202011037166.2
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112100099B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 劉宗林;龔國輝;夏一民;徐雪剛;尋迎亞;李肖;郭艷芳;李春江
• 申請（專利權）人: 湖南長城銀河科技有限公司
• 主分類號: G06F13/28
• 分類號: G06F13/28;G06F30/23
• 代理公司: 長沙市護航專利代理事務所(特殊普通合伙) 43220
• 代理人: 莫曉齊

本發明公開了一種面向多核向量處理器的格子玻爾茲曼優化方法，包括以下步驟：S100、通過設定的預取、計算和寫回三個狀態針對芯片內核的向量訪存部件進行數據傳輸時間隱藏的設計；S200、設計基于表面切割的復雜標量程序的向量化方法，以及面向基于向量的快速指數算法，并使用改進的三維格子玻爾茲曼方法進行驗證實例驗證，實現效率提升；S300、基于單核的驗證流程自適應到多核，實現快速并行計算。相比現有技術，很好地解決了向量的并行運算的問題，緩解了DMA帶寬低導致的時延長，實現了指數運算的高度向量并行計算。

技術領域

本發明屬于高性能計算領域，具體涉及一種面向多核向量處理器的格子玻爾茲曼優化方法。

背景技術

圍繞高性能自主加速器關鍵技術展開研究是各國超級計算的熱潮。多核向量處理器高性能計算的難點主要體現在：設計多核向量的并行算法難；數據量大且DDR訪存帶寬低延時長；exp等庫函數缺乏高度并行的向量化版本。在算法程序進行向量計算時，需要先把數據從DDR讀入到核內向量地址空間(AM)，才能進行計算。DDR的存儲空間大，但讀寫速度明顯慢于AM，降低了運行效率。

格子玻爾茲曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)是一種應用于計算流體動力學的數值仿真方法。它基于量子統計力學的理論，將流體看做大量有質量無體積的微粒，可以通過統計這些微粒的碰撞規律來描述流體的真實流動。格子玻爾茲曼方法主要由格子(離散速度模型)、平衡態分布函數、分布函數的演化方程組成，采用不同的格子、平衡態分布函數以及演化方程，一般便能解決各式各樣的流體問題。LBM適合并行運算，但計算機求解流體流動過程中LBM用到取模操作，在轉化成向量運算時，取模操作會使得讀取數據不連續，難以并行化處理，降低了計算效率。求指數(exp)的原理是通常利用泰勒展開式，存在大量的除法運算，同時，當變量為負數時，泰勒公式中的n需要取很大的值，才能獲得較精確的結果，兩者都延長了計算時間。

發明內容

本發明提供一種面向多核向量處理器的格子玻爾茲曼優化方法，用以解決現有技術中向量并行算法效率低，數據量大，DDR訪存時間長，exp等向量庫函數并行度低，導致計算效率低等問題。

本發明的目的通過以下技術方案實現：提供一種面向多核向量處理器的格子玻爾茲曼優化方法，包括以下步驟：

S100、通過設定的預取、計算和寫回三個狀態針對芯片內核的向量訪存部件進行數據傳輸時間隱藏的設計；

S200、設計基于表面切割的復雜標量程序的向量化方法，以及面向基于向量的快速指數算法，并使用改進的三維格子玻爾茲曼方法進行驗證實例驗證，實現效率提升；

S300、基于單核的驗證流程自適應到多核，實現快速并行計算。

作為進一步的改進，所述步驟S100具體表現為：根據設定的預取、計算和寫回三個狀態依次輪換，將DDR數據讀寫時間隱藏在DSP計算過程，實現對芯片內核的向量訪存部件的訪存延遲隱藏。

作為進一步的改進，所述步驟S200中使用改進的三維格子玻爾茲曼方法進行驗證實例具體按照體-面-邊-點的維度分別進行向量計算，從而消除標量的取模操作。

作為進一步的改進，所述按照體-面-邊-點的維度分別進行向量計算，從而消除標量的取模操作過程分解為如下步驟：

S201A、計算腔體內部，即計算非固壁網格點；

S202A、計算6個面的內部：先計算6個面內部的網格點，再計算網格點的數據碰撞和遷移；

S202A、計算6個面的交線：通過VLR向量長度寄存器相關函數，設置好需要計算的向量單元長度，再進行各交線上網格點的數據碰撞和遷移；

S204A、計算各條線的交點：設置VLR長度為1，然后通過VLR向量長度寄存器相關函數，設置好需要計算的向量單元長度，再進行各交點上網格點的數據碰撞和遷移。