复杂电大电磁问题的高级时域有限差分方法及其在混合架构平台下四级并行技术研究

One of the biggest challenging issues in computational electromagnetics is how to solve the complex electrically large EM problems. Any research toward new methods and techniques to solve this type of problems is very interesting. This project investigates the advanced finite difference time domain methods to solve the complex and electrically large problems including conformal techniques, non-uniform mesh techniques, ADI techniques and subgridding techniques. We in this project study data exchange, job balance, Cache hit rate, and material and mesh pre-processing, etc. to chieve high performance finite difference time domain methods. We develop the SSE, AVX and PHI hardware acceleration techniques of the advanced finite difference time domain methods, and design four-level parallel processing techniques between nodes, CPUs and PHIs, Cores and vector units on the CPU and PHI hybrid architecture platform. Practical complex electrically large problems will be employed to validate the proposed methods.

求解复杂电大问题是当今计算电磁学领域的重大挑战之一；研究求解复杂电大电磁问题的计算电磁学方法以及相关技术具有十分重要的意义。本课题研究求解复杂电大问题的共形技术、非均匀网格技术、高阶近似技术、隐式技术以及子网格技术的高级时域有限差分方法；研究数据交换、负载均衡、缓存命中率，材料和网格预处理技术，实现高级时域有限差分方法的高效并行；研究基于SSE，AVX和PHI的时域有限差分方法硬件加速技术；研究在CPU和PHI协处理器的混合架构平台上的四级并行设计理论和方法，包括节点之间的并行、CPU和PHI之间的并行、计算核之间的并行以及矢量单元之间的并行。通过复杂电大结构的辐射和散射应用实例验证本课题研究方法的实用性和有效性。

复杂电大问题快速精确仿真方法和技术是计算电磁学近几十年来的主要挑战，随着高速网络和计算机技术的快速发展，过去很多年困扰求解电大问题的内存规模已经不是瓶颈，单个计算机的仿真能力也得到极大地提升。进一步提高仿真计算速度解决更广泛的电磁问题成为目前计算电磁学的仿真领域的主要问题，尽管英伟达GPU和英特尔PHI协处理器得到快速发展，但由于受到单卡内存数量限制，单个GPU或PHI协处理器能够解决电磁问题的尺寸非常有限，因此多级平行解决方案是克服计算速度和问题大小瓶颈的主要手段。本课题提出基于多级并行架构的时域有限差分方法充分利用计算机技术以及高速网络的发展，将时域有限差分方法以及相关改进技术用于解决复杂电大电磁问题。. 时域有限差分方法与矩量法和有限元方法一起成为计算电磁学的三大基础方法，在过去几十年已经成功地用于解决各类电磁问题。时域有限差分方法的优点是计算速度快容易实现并行，但是其缺点是在解决大问题时的存在的网络色散误差和阶梯近似误差。本课题组在时域有限差分方法方面具有丰富的研究和开发经验，在共形时域有限差分方法和并行计算方法进行了深入研究和探索，取得了一系列的科研成果。. 本课题组在研究和探索时域有限差分方法及其改进技术外，主要研究电磁仿真的硬件加速技术包括矢量单元、多核CPU加速，PHI协处理器加速等，以及多架构系统的并行加速技术。本课题也对近几年发展起来的间断加勒金时域（DGTD）方法进行深入研究，探索DGTD的并行特性以及在不同硬件平台的电磁仿真效率和性能。研究结果表明，DGTD和FDTD方法都非常适合并行平台的电磁方法，DGTD方法在并行效率和网格色散方面还远优于FDTD方法。. 承担课题期间举办2次ACES China国际会议（大会g共同主席）和1次两岸四地无线电技术研讨会（大会主席），发表包括IEEE期刊论文在内10多篇，研究生获得会议优秀学生论文1次。. 本课题期间培养研究生5人，毕业5人。陈庚：江苏师范大学（身份证32132419890210305X）；庞烁烁： 江苏师范大学（身份证 32032119890810028X）；张欣： 江苏师范大学（身份证320311199109256124）；王俊：江苏师范大学（身份证321088199202243617）； 陈浩卿：江苏师范大学（身份证320481199306065452）