[發(fā)明專利]射線水聲傳播模型的多核并行方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110983364.6
• 申請(qǐng)日: 2021-08-25
• 公開（公告）號(hào): CN113672235A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 藍(lán)強(qiáng);馬樹青;顏冰;肖汶斌;劉巍;程興華;王勇獻(xiàn);王文珂;張理論
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F8/41
• 分類號(hào): G06F8/41
• 代理公司: 北京天盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11421
• 代理人: 周敏云

本發(fā)明屬于高性能計(jì)算與計(jì)算海洋聲學(xué)交叉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及射線水聲傳播模型的多核并行方法。通過性能分析工具分析射線水聲模型的熱點(diǎn)區(qū)域，針對(duì)射線水聲模型的熱點(diǎn)函數(shù)開展并行性分析，并設(shè)計(jì)多核并行策略，采用OpenMP編程模型實(shí)現(xiàn)射線水聲模型的多核并行；本發(fā)明構(gòu)建了射線水聲傳播模型的并行計(jì)算框架，有效提高射線水聲傳播聲場(chǎng)計(jì)算的效率，面向多核CPU計(jì)算平臺(tái)，針對(duì)典型海洋環(huán)境的聲場(chǎng)計(jì)算，取得了60％以上的并行效率；為聲吶性能預(yù)報(bào)、水下目標(biāo)定位以及海洋環(huán)境參數(shù)反演等提供快速的聲場(chǎng)計(jì)算模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高性能計(jì)算與計(jì)算海洋聲學(xué)交叉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及射線水聲傳播模型的多核并行方法。

背景技術(shù)

水聲傳播模型是對(duì)聲音在海洋中傳播規(guī)律的建模，當(dāng)前主要的水聲傳播模型有簡(jiǎn)正波模型、拋物模型以及射線模型等，這些模型中，射線模型在某些情況下具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，比如淺海環(huán)境下，當(dāng)聲源處于高頻時(shí)，射線模型具有很好的適用性，尤其是深海條件下，無論是高頻還是低頻聲源，射線模型都具有很好的適配性。然而隨著聲場(chǎng)計(jì)算海域范圍的增大，以及射線數(shù)的增加，射線水聲模型中聲場(chǎng)計(jì)算需求呈線性增加，因此，射線水聲模型的計(jì)算效率問題成為該模型在大規(guī)模聲場(chǎng)計(jì)算應(yīng)用中的瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)處理器向多核CPU發(fā)展，以及超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，都為射線水聲模型的高效計(jì)算奠定了硬件基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明創(chuàng)造的目的在于，提供射線水聲傳播模型的多核并行方法，該方法構(gòu)建射線水聲傳播模型計(jì)算的多核并行框架，能夠有效提高射線水聲傳播聲場(chǎng)計(jì)算的效率，為聲吶性能預(yù)報(bào)、水下目標(biāo)定位以及海洋環(huán)境參數(shù)反演等提供快速的聲場(chǎng)計(jì)算模型。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造采用如下技術(shù)方案。

一種射線水聲傳播模型的多核并行方法，包括如下步驟：

步驟1，采用性能分析工具對(duì)射線水聲模型串行代碼進(jìn)行分析，尋找射線水聲模型串行計(jì)算中的熱點(diǎn)函數(shù)，根據(jù)熱點(diǎn)函數(shù)占總執(zhí)行時(shí)間比例，利用并行理論，對(duì)并行加速比進(jìn)行評(píng)估分析；

步驟2，對(duì)射線模型熱點(diǎn)函數(shù)開展并行性分析，面向多核CPU計(jì)算架構(gòu)，設(shè)計(jì)多核粗粒度并行策略；

步驟3，針對(duì)射線水聲模型熱點(diǎn)函數(shù)，采用OpenMP并行編程模型實(shí)現(xiàn)射線水聲模型的多核并行。

對(duì)前述射線水聲傳播模型的多核并行方法的具體實(shí)施方案，所述步驟1具體包括：

1A、選擇開源的性能分析工具gprof，對(duì)射線水聲模型串行代碼進(jìn)行編譯，設(shè)置-pg的編譯選項(xiàng)，選取某個(gè)水聲場(chǎng)計(jì)算算例，運(yùn)行射線水聲模型，通過gprof搜集性能數(shù)據(jù)；

1B、根據(jù)gprof性能分析工具分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各個(gè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間信息，聚焦熱點(diǎn)函數(shù)，所述熱點(diǎn)函數(shù)是指執(zhí)行時(shí)間占主要的函數(shù)；

1C、假設(shè)射線水聲傳播模型串行執(zhí)行的總時(shí)間為T，熱點(diǎn)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間為B，則非熱點(diǎn)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間為T-B，假設(shè)使用N個(gè)CPU對(duì)熱點(diǎn)函數(shù)部分進(jìn)行并行，則可預(yù)估射線水聲傳播模型的理想加速比：

對(duì)前述射線水聲傳播模型的多核并行方法的具體實(shí)施方案，所述步驟2具體包括：

2A.根據(jù)上一步驟并行性分析，結(jié)合采用多核并行方法，設(shè)計(jì)粗粒度多核并行策略，包括將并行應(yīng)用在射線的循環(huán)層，每個(gè)線程負(fù)責(zé)相同數(shù)量射線的處理，不同線程之間并行執(zhí)行，線程內(nèi)的射線串行地被處理。

對(duì)前述射線水聲傳播模型的多核并行方法的進(jìn)一步改進(jìn)或具體實(shí)施方案，步驟3具體步驟包括：

3A.分析并行區(qū)域中使用的變量的屬性，確定各變量是私有屬性還是共享屬性，在編譯指導(dǎo)語句中注明共享變量以及私有變量；