[发明专利]一种基于共享内存的电磁场模拟并行计算方法

说明书

该发明公开了一种基于共享内存的电磁场模拟并行计算方法，属于电磁场模拟领域，特别是基于共享内存的电磁场模拟并行计算方法。本发明采用多进程方式同时模拟电磁场数据，设置共享内存，将模拟空间划分为多个分界面，再划分每个进程需要模拟的分界面，每个进程对同一个共享内存进行数据读写，每次模拟都单独进行电场或磁场模拟，这样减少进程间的数据交换，加上共享内存，这样能答复提高电磁场的模拟速度和效率。

技术领域

本发明属于电磁场模拟领域，特别是基于共享内存的电磁场模拟并行计算方法。

背景技术

在粒子模拟计算中，因为计算机需要求解巨量的麦克斯韦差分方程组、洛伦兹力方程、粒子运动方程以及电流密度和电荷密度等物理参量。并且在Courant稳定性条件的限制下，并行模拟计算过程中的单位时间长度必须小到一定程度，因此仿真模拟会耗费大量的机时

在粒子模拟软件中已有的并行计算技术也需要不断更新来提升并行效率。

并行计算的粗粒度并行是基于MPI的并行编程模型，此方法的移植性较好且较容易设计，但是由于在进程间消息传递过程中，进程间通信和同步耗费大量机时，其本身能达到的性能提升有限，主要原因有两方面，一方面来自于现有进程点对点通信中大量的发送与接收数据的操作，另一方面是进程负载不均导致进程同步等待浪费大量计算机算力。

Windows系统中，MPI的支撑软件主要包括了MPICH2和MSMPI。

原有粒子模拟方法使用的MPI依赖库是MPICH2。MPICH2仅支持MPI-2标准中的特性，不支持MPI-3标准的特性。MPI-2标准是通过消息发送的方式来完成，本质上各个进程的数据并不直接共享，进程不能通过简单的加载或者存储来完成对其他进程数据的访问。各个进程在消息传递或者进行远端内存访问时都会需要额外的内存复制，从而增加内存消耗并且降低并行计算性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种三维电磁粒子模拟并行效率优化方案，解决三维粒子模拟软件中并行效率过低的问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，一种基于共享内存的电磁场模拟并行计算方法，该方法包括：

步骤1：将物理模型按空间平均划分为多个子区域，每个子区域由一个进程模拟，下面从简单的两个进程来考虑；对空间进行网格化，设要计算一行网格面的电磁场；

步骤2：然后创建共享内存窗口，在该共享内存中存放一个共享数组，一个时间步内每一个网格上各个方向上的电磁场分量存入共享数组且仅与数组中的一个索引对应，所有进程都依次对该数组进行读或者写；

步骤3：确定分界面，该分界面将待计算的这一行网格面平均划分，并初始化共享内存；

第1时刻内：进程0计算分界面及分界面一边的所有网格面的电场，进程1计算分界面另一边所有网格面的电场；将各网格面的电场数据根据索引存入共享数组中的对应位置；

第1+1/2时刻内：进程0计算分界面及分界面一边的所有网格面的磁场，进程1计算分界面另一边所有网格面的磁场；将各网格面的磁场数据根据索引存入共享数组中的对应位置；

在该完整时间步内，需要的电磁场数据在共享内存里可以被进程随时调用，完成电磁场的更新后，进程会进行一次同步；

第2时刻内：根据共享内存中各网格面的磁场数据，进程0计算分界面及分界面一边的所有网格面的电场，进程1计算分界面另一边所有网格面的电场；将各网格面的电场数据根据索引存入共享数组中的对应位置；

第2+1/2时刻内：根据共享内存中各网格面的电场数据，进程0计算分界面及分界面一边的所有网格面的磁场，进程1计算分界面另一边所有网格面的磁场；将各网格面的磁场数据根据索引存入共享数组中的对应位置；