堆芯計(jì)算的框架方法及其原型軟件NAC4R的設(shè)計(jì)1)

明平洲，劉 婷，李治剛，尹 強(qiáng)，蘆 韡，劉 東，曾 輝，余紅星

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

隨著并行計(jì)算技術(shù)發(fā)展以及電子計(jì)算機(jī)硬件性能的提升，反應(yīng)堆工程領(lǐng)域具備研制較多大規(guī)模并行軟件的條件。并行計(jì)算聯(lián)合反應(yīng)堆計(jì)算程序在高性能計(jì)算平臺上的高效應(yīng)用成為科研設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一，它們從多個(gè)角度來提升核反應(yīng)堆工程計(jì)算的效率和應(yīng)用更多精細(xì)的模型[1,2]。伯克利并行實(shí)驗(yàn)室提出的Dwarf導(dǎo)則將并行軟件的編寫按照行業(yè)進(jìn)行抽象，總結(jié)出并行模式設(shè)計(jì)，并在研究中針對蒙特卡羅中子輸運(yùn)計(jì)算形成了底層的框架軟件[3]。核能領(lǐng)域的CASL等項(xiàng)目也將并行工具和底層算法進(jìn)行整合，形成適用于大規(guī)模集群計(jì)算機(jī)的軟件框架，并應(yīng)用于工程耦合軟件的研發(fā)[4,5]。框架方法的實(shí)質(zhì)便是基于復(fù)用構(gòu)件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件的開發(fā)。框架方法的共性研究在著名的FLASH研究文獻(xiàn)[6]中早期被總結(jié)為兩種技術(shù)路線：

1)先設(shè)計(jì)和開發(fā)框架，然后逐步添加求解器和其他計(jì)算能力；

2)圍繞小的求解器或?qū)I(yè)應(yīng)用進(jìn)行持續(xù)研發(fā)，最終發(fā)展成為大型專業(yè)軟件。

第一種技術(shù)路線方面，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的Trilinos是用于大規(guī)模工程和科學(xué)問題求解的軟件框架。該計(jì)算框架集成了較多知名軟件包，提供了豐富的數(shù)值計(jì)算功能;PETSc由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室維護(hù)，提供多個(gè)適用于并行計(jì)算的線性和非線性數(shù)值求解器和功能模塊;日本通過建立大規(guī)模并行數(shù)值計(jì)算技術(shù)研究小組，在京超級計(jì)算機(jī)上研制大規(guī)模的高性能數(shù)值軟件KMATHLIB，與底層AICS硬件緊密結(jié)合[7];Charm++是由Illinois大學(xué)基于C++編程語言研制的并行面向?qū)ο缶幊陶Z言，它將集群計(jì)算機(jī)的處理器核心虛擬化[8]。第二種技術(shù)路線方面，PPM圍繞著物理學(xué)科的數(shù)值計(jì)算特點(diǎn)，研制了位于底層并行計(jì)算環(huán)境與學(xué)科應(yīng)用之間的抽象中間件，減輕并行軟件的研制難度[9]。以上基于框架方法的研究思路在堆芯計(jì)算領(lǐng)域，尤其在國內(nèi)尚處于無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的局部應(yīng)用階段(例如中國工程物理研究院的JASMIN軟件)，且缺乏細(xì)致的程序設(shè)計(jì)和對應(yīng)的理論模型。

圍繞著堆芯計(jì)算軟件的應(yīng)用重點(diǎn)，論文描述了適用于堆芯計(jì)算的框架原型軟件NAC4R的設(shè)計(jì)和初步編程實(shí)現(xiàn)，并列舉抽象程序的驗(yàn)證和實(shí)際屏蔽輸運(yùn)計(jì)算軟件Hydra-SN3D的重制工作來說明框架方法的有效性。

1 理論和設(shè)計(jì)

數(shù)值計(jì)算與并行計(jì)算環(huán)境可以按照不同層次進(jìn)行融合[10]。例如在計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域，中間件的概念來源于分布式計(jì)算技術(shù)，它基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺上部署的分布式計(jì)算環(huán)境，用于提供開發(fā)工具和公共服務(wù)，從而支持分布式通信應(yīng)用。本文提及的框架方法則側(cè)重于數(shù)值計(jì)算的功能設(shè)計(jì)，同時(shí)包含部分中間件的內(nèi)容以便集群計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)值計(jì)算內(nèi)數(shù)據(jù)的傳遞和代數(shù)運(yùn)算。NAC4R作為框架方法的原型設(shè)計(jì)，其研制過程將專業(yè)應(yīng)用范圍限制在堆芯計(jì)算，且運(yùn)行平臺僅考慮內(nèi)部封閉的集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所以與硬件的配合程度應(yīng)單獨(dú)予以考慮。

1.1 理論說明

框架方法映射至軟件系統(tǒng)的不同層次，NAC4R的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 NAC4R的結(jié)構(gòu)框架Fig.1 The structure of NAC4R

該設(shè)計(jì)提供多種基礎(chǔ)計(jì)算功能，然后利用Python接口層來進(jìn)行自動(dòng)化處理和提供外部應(yīng)用函數(shù)接口。現(xiàn)階段在原型階段對基礎(chǔ)計(jì)算功能的模塊進(jìn)行如下分類：

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊，對控制和計(jì)算所用的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理表示，兼顧串行情況和分布式內(nèi)存并行情況；

2)常用功能模塊，提供基本的非數(shù)值計(jì)算操作，例如數(shù)據(jù)封裝、快速排序、查找和圖分區(qū)等功能；

3)基礎(chǔ)線性代數(shù)操作，例如對BLAS函數(shù)接口規(guī)范、LAPACK函數(shù)接口規(guī)范提供包裹函數(shù)，便于直接使用FORTRAN函數(shù)。后續(xù)在接口規(guī)范一致的前提下也可以編程實(shí)現(xiàn)適用于特定并行硬件的基礎(chǔ)線性代數(shù)功能；

4)并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊，它由1)進(jìn)行派生，基于著名的Epetra模塊，在分布式內(nèi)存環(huán)境下對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理表示和存儲[11]；

5)線性方程組求解，現(xiàn)階段僅需提供Jacobi、Bi-CG、GMRES和LU分解的求解器，實(shí)現(xiàn)求解功能和考慮初步的健壯性，基于著名的Aztec模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)[12]；

6)輸入輸出模塊，對框架內(nèi)部的輸入輸出功能進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，關(guān)注文本文件和二進(jìn)制文件，同時(shí)提供框架內(nèi)部固定的計(jì)算數(shù)據(jù)存儲格式；

7)事件追蹤模塊，提供對計(jì)算過程的時(shí)間線統(tǒng)計(jì)和計(jì)算時(shí)間分析，便于引入TAU等工具；

8)基礎(chǔ)數(shù)值計(jì)算模塊，提供基本的數(shù)值計(jì)算操作和數(shù)值函數(shù)，例如伽馬函數(shù)，勒讓德多項(xiàng)式展開系數(shù)，線性求積組等功能。

因此，NAC4R的基礎(chǔ)計(jì)算功能現(xiàn)階段由8個(gè)模塊組成，并強(qiáng)調(diào)使用C/C++語言和Fortran語言進(jìn)行混合編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算核心，一方面便于C/C++語言實(shí)現(xiàn)控制和封裝等管理特性，另一方面便于Fortran語言實(shí)現(xiàn)高效數(shù)值計(jì)算和利用已有的底層計(jì)算核心，例如BLAS、LAPACK等第三方內(nèi)容。通過以上設(shè)計(jì)可以歸納出，NAC4R與框架方法的聯(lián)系體現(xiàn)在多項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容的抽象上。

(1)數(shù)據(jù)的表達(dá)

在集群計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要分為三類：原語類型、復(fù)合類型和抽象數(shù)據(jù)類型。各種堆芯計(jì)算相關(guān)的具有物理意義的數(shù)據(jù)便由這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載和存儲。NAC4R一方面提供專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，諸如雙向鏈表、B-tree、紅黑樹以及圖，另一方面也根據(jù)堆芯計(jì)算的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)有效的組織邏輯，表述為區(qū)域拓?fù)?、粒子、網(wǎng)格等對象。這些數(shù)據(jù)的表達(dá)在NAC4R內(nèi)部由類部件或者函數(shù)接口這種模塊形式來提供使用。

(2)數(shù)據(jù)通信

在分布式內(nèi)存情況下實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)有的集群計(jì)算機(jī)在處理器核心之間主要使用MPI消息傳遞模型進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為了開發(fā)用戶層面上函數(shù)接口的統(tǒng)一性和適應(yīng)扁平化設(shè)計(jì)，并不直接使用MPI提供的函數(shù)，而是進(jìn)行包裹函數(shù)庫(Wrapped Function Library)的研發(fā)設(shè)計(jì)，一方面減少輸入形參和實(shí)現(xiàn)功能的組合和統(tǒng)一管理，另一方面固定函數(shù)接口，使得包裹函數(shù)內(nèi)部可以靈活更改，以適應(yīng)不同的硬件平臺和更新或者替換底層的MPI庫(見圖2)。

圖2 包裹層示意圖Fig.2 Schematic of the wrapping layer

這種設(shè)計(jì)思路在PETSc、Trilinos、KMATHLIB和較多的框架軟件中均有體現(xiàn)，按照分布式通信集中管理的原則，NAC4R內(nèi)的數(shù)據(jù)通信通過管理功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能、通信區(qū)域分割等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，它涉及MPI分布式內(nèi)存并行和OpenMP或多線程共享式內(nèi)存并行。

(3)文件I/O

在MPI-2規(guī)范中引入的并行I/O，也稱為MPI-IO，它是NAC4R數(shù)據(jù)通信模型中關(guān)于分布式文件讀寫的基礎(chǔ)。為了減小問題的復(fù)雜度，NAC4R對文件的讀寫僅僅針對二進(jìn)制文件，并不針對文本文件(文本文件可以通過轉(zhuǎn)換接口來生成二進(jìn)制文件)，且NAC4R也使用和擴(kuò)展了Fisher所提出的SDF文件格式來減小數(shù)據(jù)存儲和傳遞的復(fù)雜性[13]。

(4)數(shù)值求解器

NAC4R的數(shù)值求解部分針對具體的堆芯計(jì)算特點(diǎn)，現(xiàn)階段已實(shí)現(xiàn)線性方程組Ax=b和非線性方程組的部分求解方法，例如圍繞Jacobi、Bi-CG、GMRES和LU分解的理論和算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了提升適應(yīng)性，當(dāng)矩陣規(guī)模較小或精度要求較高時(shí)，使用直接法的接口更為有效。

1.2 編程考慮

原型軟件NAC4R內(nèi)存在著面向結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)，考慮到應(yīng)用需求，它自身存在著配置文件，可以指定具體的計(jì)算任務(wù)和集群計(jì)算機(jī)的資源等信息實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。在NAC4R的編程實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)考慮三種應(yīng)用情況。

1)直接在上面集成專業(yè)應(yīng)用的求解器，構(gòu)成完整的專業(yè)軟件；

2)使用NAC4R提供的部分模塊，以函數(shù)庫的形式進(jìn)行重用；

3)復(fù)用NAC4R的程序代碼，并利用提供的自動(dòng)化功能進(jìn)行并行性能預(yù)測和收集計(jì)算信息。

1.3 原型研制步驟

基礎(chǔ)模塊的開發(fā)為第一階段，體現(xiàn)為NAC4R在研制過程中實(shí)施單元測試，然后開發(fā)相應(yīng)的示例程序和腳本語言包裹層。

第二階段對實(shí)際的堆芯樣本程序進(jìn)行應(yīng)用和分析，本文選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格條件下的三維離散縱標(biāo)法的并行算法進(jìn)行應(yīng)用研究。針對其中的徑向掃描并行算法部分，樣本程序被解讀和分析，并在NAC4R原型軟件中快速進(jìn)行重新開發(fā)，理解核心并行求解算法的編寫流程和效率提升模式(見表1)。

表1 樣本程序Hydra-SN3D的信息

第三階段是持續(xù)改進(jìn)原型軟件NAC4R，并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，對新的堆芯計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行特征識別，即在NAC4R內(nèi)部集成新的并行算法和共性計(jì)算內(nèi)容。

1.4 離散縱標(biāo)法

美國LANL實(shí)驗(yàn)室研制的一系列離散縱標(biāo)程序是SN方法的起源，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所前期圍繞中子輸運(yùn)SN算法開展了多方面的研究，并重點(diǎn)介紹二維中子輸運(yùn)方程SN算法的研究與應(yīng)用情況[14]。2010年美國LANL實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)報(bào)告中宣講了走鵑超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的SN輸運(yùn)程序Sweep3D，它作為PARTISN中子輸運(yùn)程序的縮減版本，可以計(jì)算XYZ三維笛卡爾坐標(biāo)系的幾何系統(tǒng)，使用二維處理器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來匹配幾何的分塊網(wǎng)格，從多個(gè)層次上實(shí)施并行來加速SN算法的求解[15]。離散縱標(biāo)法的形式通常由波爾茲曼輸運(yùn)方程的離散縱標(biāo)形式進(jìn)行建模，可以反映中子或光子的輻射效應(yīng)。

Ωm·Img+(σA+σS)Img

(1)

輻射通量Img(x,y,z)按照能群、角方向進(jìn)行離散化，公式表明沿著一個(gè)特定方向Ωm輻射通量將發(fā)生的變化，求解過程便是定量獲得此變化趨勢。計(jì)算時(shí)只對選定的若干個(gè)離散方向Ωm對中子輸運(yùn)方程進(jìn)行求解。從中子輸運(yùn)方程求出φ(r,E,Ωm)后，關(guān)于方向Ω的有關(guān)積分則用數(shù)值積分來近似表示。

(2)

式中,求積系數(shù)ωm、離散方向及其數(shù)目取決于計(jì)算精度的要求(SN方法，又寫作SN)。此處下標(biāo)N表示方向向量在某個(gè)坐標(biāo)方向上(例如XYZ三維笛卡爾坐標(biāo)系的某個(gè)坐標(biāo)軸方向)的離散點(diǎn)數(shù)目。近期中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院和西安交大聯(lián)合研制Hydra-SN3D是類似于DORT核心求解器的離散縱標(biāo)法程序。程序?qū)⒄麄€(gè)方程抽象為矩陣系統(tǒng)進(jìn)行求解，這種完整性更貼近于復(fù)雜系統(tǒng)的模擬和仿真。假定輸運(yùn)算符為Η，裂變算符為Γ。

Ηφ=Ω·

(3)

(4)

根據(jù)公式(3)和(4)的算符定義，離散縱標(biāo)法的源迭代求解算法為：

Input:?0,v∑f,∑s,∑tOutput:keff,?S=Γ?;while|k-kold|kold≥εkor||S-Sold||||Sold||≥ε?do H?=S Sold=S S=Γ? k= S=1kS

對離散縱標(biāo)法的框架方法實(shí)踐將基于上面描述內(nèi)容實(shí)施抽象和編程實(shí)現(xiàn)。

2 抽象程序和數(shù)值實(shí)驗(yàn)

框架方法同時(shí)強(qiáng)調(diào)抽象，為了有效在NAC4R內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對樣本程序的應(yīng)用或研究，可以參照代理程序SNAP的研究思路[16]，根據(jù)問題域本身的特征進(jìn)行抽象(本文強(qiáng)調(diào)堆芯計(jì)算)。一方面抽象其中的核心計(jì)算部分，按照NAC4R提供的程序部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重寫;另一方面使用數(shù)學(xué)模型來模擬真實(shí)軟件的行為，研究新的模型、算法等。

2.1 性能預(yù)測

堆芯計(jì)算的一次完整計(jì)算可以按照功能和先后次序進(jìn)行分解，總可以形成圖3所示的多個(gè)計(jì)算任務(wù)構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖3 計(jì)算任務(wù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Fig.3 Mesh structure for computing tasks

此時(shí)每個(gè)計(jì)算任務(wù)可以使用一個(gè)進(jìn)程或線程代表的計(jì)算資源完成計(jì)算，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到它的后繼，其后繼在接收到所有所需數(shù)據(jù)之后開始計(jì)算。在數(shù)學(xué)上，這種互聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以通過有向圖或者Petri網(wǎng)進(jìn)行表達(dá)和研究。有向圖是由一組定點(diǎn)和邊(V,E)進(jìn)行定義的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)有向圖中不存在循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，有向圖又被稱為有向無循環(huán)圖，它仍然遵循有向圖的各種定理，例如反向后序序列等價(jià)于圖模型中的拓?fù)渑判颍从沉烁鱾€(gè)計(jì)算任務(wù)的一種調(diào)度關(guān)系。當(dāng)有向無循環(huán)圖的連接邊E不存在權(quán)重值時(shí)，可以直接由有向圖對應(yīng)的矩陣M進(jìn)行調(diào)度算法的設(shè)計(jì)。

1)Mi,j在初始情況下為0，當(dāng)單元被調(diào)度完成計(jì)算后，可以置Mi,j為1；

2)Mi,j(i≠j)表明了單元j依賴的前驅(qū)單元，如果Mi,j≠0，則單元j的調(diào)度需要等待單元i完成計(jì)算。

離散縱標(biāo)輸運(yùn)計(jì)算的徑向掃描計(jì)算具備圖4所示的流水線結(jié)構(gòu)，它在SN輸運(yùn)計(jì)算過程中可能由多進(jìn)程對較大的分塊區(qū)域按照此互聯(lián)關(guān)系進(jìn)行并行求解，也可能由多線程對分塊區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格按照此互聯(lián)關(guān)系進(jìn)行并行求解，前者會產(chǎn)生進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)通信開銷，后者則共享數(shù)據(jù)內(nèi)存，只存在著計(jì)算的先后次序和多線程的管理開銷。

圖4 SN方法的流水線結(jié)構(gòu)Fig.4 Pipeline of the SN method

假定每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的體積一致時(shí)，此時(shí)每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的計(jì)算任務(wù)的計(jì)算量相同，當(dāng)數(shù)據(jù)量較小且不考慮數(shù)據(jù)通信時(shí)，對應(yīng)于多線程并行情況，此時(shí)理想并行性能(加速比)為：

(5)

理想性能的取得需要計(jì)算資源(進(jìn)程或線程)滿足≥min{i,j}。當(dāng)計(jì)算資源并不充足時(shí)，可以根據(jù)上述抽象和NAC4R提供的并行性能預(yù)測工具生成不同概率分布的輸入，模擬資源數(shù)的增長與實(shí)際的并行性能，獲得指導(dǎo)性建議來輔助并行編程。以I=50,J=50為例，可以使用工具模擬，按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式得到以下的運(yùn)行時(shí)間趨勢。

圖5顯示的趨勢表明每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的計(jì)算量相同，且不考慮數(shù)據(jù)通信時(shí)，當(dāng)計(jì)算資源在10(十個(gè)進(jìn)程或線程)以內(nèi)時(shí)，該例題規(guī)模下并行所帶來的增益最為明顯?？紤]到預(yù)測的復(fù)雜性，還可以采用Petri網(wǎng)數(shù)學(xué)模型對更為復(fù)雜的情況進(jìn)行性能預(yù)測，例如當(dāng)每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的計(jì)算量不相同，考慮數(shù)據(jù)通信之后的多進(jìn)程并行性能。2.1節(jié)解釋的框架方法反映的是一種程序抽象的能力，并行算法的性能預(yù)測是一種用途。

圖5 SN徑向掃描的并行性能預(yù)測Fig.5 Parallel performanceprediction of radial scanning

2.2 離散縱標(biāo)法的徑向并行掃描

與2.1描述的抽象保持一致，真實(shí)的離散縱標(biāo)法的掃描算法在每個(gè)卦限內(nèi)每個(gè)離散方向均需要遍歷掃描各個(gè)網(wǎng)格，它在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的條件下應(yīng)用KBA并行掃描算法。此時(shí)求解過程對應(yīng)于通量矩的線性系統(tǒng)的代數(shù)運(yùn)算。

(6)

L——差分輸運(yùn)算符;

M——通量矩離散化算符矩陣;

S——散射矩陣。

待求解對象ψ代表角通量，φ為通量矩。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格情況下KBA掃描計(jì)算的實(shí)質(zhì)是求解L-1，它將三維網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分，假設(shè)總的網(wǎng)格在每個(gè)方向上為(I,J,K)，各個(gè)區(qū)域(Ia,Jb,K)被映射至每個(gè)進(jìn)程計(jì)算任務(wù)進(jìn)行并行求解。此時(shí)每個(gè)卦限內(nèi)的各區(qū)域XY方向上的掃描計(jì)算由多層循環(huán)結(jié)構(gòu)表示，它的算法描述為：

I,J,K←0,1,2for k in d_begin[K]:d_end[K] ?up,j←?in for j in d_begin[J]:d_end[J] for i in d_begin[I]:d_end[I] ?psi←?up callT(i,j,k,?psi) end for ?up←?psi end for ?out←?up,j end for ?out←?up,k

上述掃描計(jì)算過程中，外推模型的計(jì)算子函數(shù)T具備獨(dú)立性，僅僅與網(wǎng)格序號(i,j,k)相關(guān)，通量矩變量φup、φpsi等存在著先后依賴關(guān)系。對于該流水線并行的并行算法，可引入全局標(biāo)志位來輔助流水線結(jié)構(gòu)的執(zhí)行，此時(shí)的循環(huán)結(jié)構(gòu)使用OpenMP多線程并行的算法可以設(shè)計(jì)為：

#pragma omp parallel forfor j in d_begin[J]:d_end[J] for i in d_begin[I]:d_end[I] wait(done[j][i]) ?psi←?up call T(i,j,k,?psi) done[next(j)][i]=1 end forend for

框架方法在原型軟件NAC4R中單獨(dú)提供一類機(jī)制來統(tǒng)一這種流水線結(jié)構(gòu)的執(zhí)行。一方面由于循環(huán)結(jié)構(gòu)并行算法的不恰當(dāng)編程實(shí)現(xiàn)將造成性能的惡化，另一方面以上算法結(jié)構(gòu)較難高效和正確編寫成功。NAC4R統(tǒng)一使用OpenMP提供的omp_set_lock和omp_unset_lock操作提前分配和管理互斥數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于OpenMP多線程在流水線結(jié)構(gòu)下并發(fā)運(yùn)行。計(jì)算用戶只需要編寫循環(huán)結(jié)構(gòu)本身，將計(jì)算和數(shù)據(jù)表示相互獨(dú)立，也便于后續(xù)保留效率較高的程序編寫模式。表2統(tǒng)計(jì)了編譯優(yōu)化等級為-O0時(shí)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)計(jì)算效率，兩個(gè)預(yù)設(shè)例題的計(jì)算結(jié)果在樣本程序、NAC4R改寫之后的程序及其并行版本均保持一致。

表2 預(yù)設(shè)例題的計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì)

兩個(gè)例題的單進(jìn)程計(jì)算效率得到了較大提升，且對于每個(gè)基準(zhǔn)例題，按照3.1節(jié)提供的預(yù)測信息，對每個(gè)進(jìn)程使用8個(gè)線程實(shí)施的多線程并行均起到了接近圖5所示的加速效果。這給后續(xù)引入進(jìn)程和線程多級并行的策略帶來信心。

表3則統(tǒng)計(jì)和對比了不同編譯優(yōu)化等級下NAC4R內(nèi)重制的離散縱標(biāo)法模塊的計(jì)算時(shí)間，如果簡單按照前面列出的全局標(biāo)志位來編寫OpenMP并行算法，O2優(yōu)化等級將無法得到一致的數(shù)值結(jié)果。NAC4R內(nèi)部統(tǒng)一提供的多線程鎖機(jī)制的管理方式確保了計(jì)算結(jié)果保持不變，且表中數(shù)據(jù)表明高編譯優(yōu)化等級下流水線掃描結(jié)構(gòu)仍然可以使用OpenMP多線程來提升計(jì)算性能。

表3 不同編譯優(yōu)化等級的預(yù)設(shè)例題計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì)

樣本程序Hydra-SN3D在NAC4R內(nèi)部的重制工作前后共花費(fèi)2個(gè)月，共3個(gè)人力，其中主要程序開發(fā)人員僅花費(fèi)1個(gè)月便完成Hydra-SN3D軟件的編制和測試。NAC4R這種統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的框架方法及其編程理念有利于程序的研制、改寫或重組，可復(fù)用的工程應(yīng)用核心就在于提供了較多共性計(jì)算功能和使用單個(gè)模塊部件及其組合這種形式來組織數(shù)值計(jì)算內(nèi)容。原型軟件NAC4R內(nèi)部存在較多可復(fù)用的程序片段，它們是以往并行軟件研制經(jīng)驗(yàn)和模式的總結(jié)，使得開發(fā)用戶花費(fèi)更多時(shí)間對問題進(jìn)行抽象，匹配已有模式，從而縮減編寫程序的時(shí)間。

3 結(jié)論

隨著應(yīng)用的深入和計(jì)算硬件的改善，超大規(guī)模集群計(jì)算機(jī)下堆芯計(jì)算軟件的呈現(xiàn)將產(chǎn)生較大變化。NAC4R原型軟件作為框架方法的研究思路在本文進(jìn)行了介紹，通過討論，得到如下結(jié)論。

1)框架方法可以取得軟件復(fù)用的目標(biāo)，堆芯計(jì)算經(jīng)過抽象來適應(yīng)已有的模式或基礎(chǔ)計(jì)算功能可以簡化數(shù)值程序的編寫流程，且便于并行算法相關(guān)內(nèi)容的分析。提出的NAC4R原型軟件對框架方法的實(shí)例化初步可行，從基礎(chǔ)功能上給出了較多計(jì)算的理論來源和編程實(shí)現(xiàn)考慮。

2)離散縱標(biāo)法的屏蔽輸運(yùn)程序Hydra-SN3D在NAC4R內(nèi)被重新抽象和編程實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)論證了框架方法應(yīng)用于堆芯計(jì)算的可行性和有效性。

后續(xù)將進(jìn)一步對原型軟件進(jìn)行發(fā)展，以適應(yīng)更多堆芯計(jì)算內(nèi)容，例如非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的離散縱標(biāo)法程序和兩相流仿真程序等，擴(kuò)大框架方法的適用范圍和提煉其中的并行模式。