[發明專利]一種多GPU并行的時域有限差分電磁仿真方法、設備及介質

有效

• 申請號: 202210080826.8
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114117872B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 聶雅琴;張軍飛;李會江;彭超彬
• 申請（專利權）人: 廣州中望龍騰軟件股份有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F9/50
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 孫柳

本發明公開了一種多GPU并行的時域有限差分電磁仿真方法及系統，其仿真方法包括：根據預設的GPU并行數量對空間網格進行區域分解使分解后相鄰子域包含有相同的重疊網格；所述空間網格通過對三維電磁模型進行Yee網格劃分獲得；為每個GPU匹配其對應子域的區域參數，控制各GPU結合區域參數分別對其子域所對應的所述重疊網格以及所述重疊網格以外區域進行電磁場數據的迭代運算，并對電磁場數據迭代運算結果進行數據存儲。本發明可有效解決電磁FDTD算法在求解電大尺寸的仿真案例過程中存在的內存消耗大、計算效率低、計算時間長等問題。

技術領域

本發明涉及電磁仿真分析與高性能計算領域，尤其涉及一種多GPU并行的時域有限差分電磁仿真方法、電子設備及計算機可讀存儲介質。

背景技術

CAE電磁仿真廣泛應用于手機、電腦、汽車、電子元件、航空航天、醫療器械等行業。時域有限差分法（Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD）是一種常用的電磁仿真方法，為基于有限差分概念的數值方法，用于求解麥克斯韋方程組在時間和空間域的電場和磁場分布。FDTD在時間步長和空間點采用顯式蛙跳（leap-frog）格式，對電磁場E、H分量在空間和時間上采用交替抽樣的離散方式，應用這種離散方式將含時間變量的麥克斯韋旋度方程轉化為一組差分方程，并在時間軸上逐步推進求解空間電磁場。

FDTD在解決電大尺寸模型的電磁計算應用時，往往需要很大的計算量和過大的存儲空間，這成了FDTD的應用瓶頸。隨著計算機技術的發展，為了更快的處理更大規模的計算量問題，科學計算和數值仿真采用超算、集群等高性能計算機進行計算的需求越來越迫切。GPU在數據并行方面具有強大的浮點運算能力和高顯存帶寬，比如Volta架構Tesla V100GPU單精度和雙精度浮點運算分別高達14和7 TFLOP/s，遠高于CPU的計算性能。將FDTD仿真算法移植到GPU上進行計算，可以大幅度提升性能；同時，利用多GPU并行加速仿真，能更合理有效的利用計算資源，提升仿真效率。

目前，國內外已有部分學者在多GPU上實現了2D和3D的FDTD并行仿真算法，但其算法主要針對特定的邊界條件（比如PML或者PEC）和材料屬性，具有一定的局限性，并不適用于通用的CAE仿真軟件算法中；

其次，采用子區域先并行計算后再進行數據傳輸方式會導致并行性能損失。為了提升GPU并行性能問題，部分學者采用多級并行，重疊計算與傳輸任務等加速方法，例如現有論文文獻《基于多gpu的fdtd并行算法及其在電磁仿真中的應用》，其FDTD多GPU算法采用兩級并行計算及其傳輸并行，雖可減少數據傳輸所占的時間比例，以達到更高的并行效率；但是，該種方法難以適用于復雜邊界條件、多重激勵、色散材料等復雜場景。

而作為通用的CAE仿真軟件，需要能處理PEC、PMC、PML以及周期性邊界等各種復雜邊界條件，以及色散介質及各向異性介質等。因此，對FDTD多GPU算法的通用性和并行性能需要采取針對性措施。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種多GPU并行的時域有限差分電磁仿真方法，可有效解決電磁FDTD算法在求解電大尺寸的仿真案例過程中存在的內存消耗大、計算效率低、計算時間長等問題。

本發明的目的之二在于提供一種電子設備。

本發明的目的之三在于提供一種存儲介質。

本發明的目的之一采用如下技術方案實現：

一種多GPU并行的時域有限差分電磁仿真方法，包括：

根據預設的GPU并行數量對空間網格進行區域分解使分解后相鄰子域包含有相同的重疊網格；所述空間網格通過對三維電磁模型進行Yee網格劃分獲得；

為每個GPU匹配其對應子域的區域參數，控制各GPU結合區域參數分別對其子域所對應的所述重疊網格以及所述重疊網格以外區域進行電磁場數據的迭代運算，并對電磁場數據迭代運算結果進行數據存儲。