[發明專利]一種數理方程解算構件及并行軟件研發方法與系統

有效

• 申請號: 202011070229.4
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN111984916B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 莫則堯;張愛清;王景燾;程湯培;劉娜;李剛;陳曉潔;李光榮;田榮;劉青凱;許開龍
• 申請（專利權）人: 北京應用物理與計算數學研究所
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06F16/27;G06F30/20
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 賈磊;許曼

本文涉及高性能數值模擬技術領域，尤其涉及一種數理方程解算構件及并行軟件研發方法與系統。其中數理方程解算構件基于并行計算構件研發，并通過數理方程解算構件接口將物理建模插件單元，工程模板插件單元，數值離散解算單元三類單元隔離，實現并行數值模擬軟件研發的復雜度降低的目的。

技術領域

本文涉及高性能數值模擬技術領域，尤其涉及一種數理方程解算構件及并行軟件研發方法與系統。

背景技術

高性能數值模擬是科學研究和工程設計的必要研究手段，并行軟件是高性能數值模擬的工具。并行軟件自主研發需要工程(業務)建模、物理(科學)建模、數值(離散)算法和大規模并行計算等方面的多學科協同，其中，工程建模可能涉及流體、結構、振動、沖擊、電磁、輻射、化學、燃燒、傳熱等多個工程學科分支，物理建模大多涉及物理機理、材料物性、本構關系等多個基礎學科分支，數值算法包含求解不同類型數理方程的數值離散格式，大規模并行計算通常包含適配于不同類型體系結構高性能計算機的大規模并行算法和性能優化方法。由此，并行軟件自主研發復雜度可以用描述，其中，L表示工程建模復雜度，M表示物理建模復雜度，N表示數值算法復雜度，J表示并行算法和性能優化復雜度。隨著實際應用的日趨復雜，多學科協同也日趨緊密，L、M、N和J持續增長，軟件研發復雜度越來越大，嚴重制約并行軟件自主研發水平的提升，從而反過來制約多學科協同和求解實際應用問題的能力提升。

ANSYS是現有技術中廣泛使用的商業CAE軟件，采用了如下技術方案實現結構、流體、電磁等工程學科并行軟件的研發：

軟件開放二次開發編程接口，并提供相應的二次開發工具，支持用戶自定義材料性質、單元類型、失效準則等。通過連接自己的FORTRAN程序，用戶可以生成一個定制的ANSYS程序實例。

通過ANSYS Workbench、MPCCI等工具，屏蔽內部學科軟件的數值計算和不同學科軟件之間的數據場傳輸，支持用戶快速定制工程業務個性的序貫分析多學科協同計算流程。

但是上述現有技術中二次開發接口通常與有限元或有限體積等單一的數值算法綁定，不具備普適性，無法支持新數值方法的擴展和適配。

ANSYS多學科協同計算效率低。主要原因在于各個工程學科分支的數值模擬軟件獨立開發、獨立運行，缺乏一體化無縫對接的數據結構，各個學科分支之間需要進行數據轉換才能實現協同。

各工程學科分支數理方程軟件大多經歷了長期的發展，集成了大量的創新研究成果，數據結構和并行算法與現代超級計算機體系結構缺乏協同設計，大多缺乏現代超級計算機和微處理器體系結構的針對性設計，需要重構。然而，這些軟件代碼量巨大，重構代價大、周期長，多學科協同的代碼實現復雜度很難在短期內得到大幅降低。

如何解決現有技術超級計算并行軟件研發的高復雜度是亟需解決的問題。

發明內容

本文實施例提供了一種數理方程解算構件及并行軟件研發方法與系統，用于解決現有技術中數值模擬領域研發復雜度高，效率低的問題。

本文實施例提供了一種數理方程解算構件，包括，

數理方程解算構件接口，數據分布存儲單元，自適應適配單元，數值離散解算單元，并行計算構件單元；

所述數理方程解算構件接口，連接所述數據分布存儲單元、自適應適配單元以及數值離散解算單元，用于基于數理方程定解問題，接收外部輸入的數值數據和數值數據計算方法，將所述數值數據和數值數據計算方法傳輸給所述數值離散解算單元，并將所述數值離散解算單元進行數值計算后得到的數值解輸出；

所述數據分布存儲單元，用于在進程的私有內存空間存儲外部數據場和內部數據場；其中，外部數據場指通過數理方程解算構件接口從外部接收的物理場數值數據，內部數據場指數值離散解算單元在數值求解過程中產生的物理場數值數據；