基于分组多流的GPU上多区结构网格CFD加速方法

摘要

本发明公开了一种基于分组多流的GPU上多区结构网格CFD加速方法，目的是加速GPU上运行的多区结构网格CFD应用。技术方案是构建CPU和GPU软硬件平台，部署多区结构网格CFD应用软件；执行分组多流管理软件、时间步推进软件，设置分组多流参数、CFD时间迭代步数和收敛条件，执行GPU存储管理软件初始化GPU存储空间使用方式、预先分配GPU存储空间并根据需要进行调整；在时间步迭代内执行分组多流管理软件，由GPU完成多区结构网格CFD应用的多流计算。本发明可有效加速GPU上运行的多区结构网格CFD应用，重叠GPU上多个网格分区的计算以及CPU与GUP间通信，以隐藏CPU和GPU间数据传输开销，缓解GPU全局显存容量较小的限制，且本发明简单易实现，通用性强。

主权项

一种基于分组多流的GPU上多区结构网格CFD加速方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建CPU和GPU软硬件平台，在CPU和GPU平台上部署多区结构网格CFD应用软件，方法是：CPU作为主处理器，GPU作为加速器，CPU和GPU间通过PCI‑E总线连接，CPU上安装有操作系统、编译器以及GPU驱动、GPU开发环境，要求GPU硬件体系结构实现及其编程开发环境支持流处理机制，在CPU上安装多区结构网格CFD应用软件，包括CFD求解流程涉及的初始化软件、边界处理软件、时间步推进软件、流场解输出软件；在CPU上安装GPU存储管理软件和分组多流管理软件，所述CFD是Computational Fluid Dynamics的缩写，即计算流体动力学；第二步，初始化分组多流参数，设置CFD流场变量的GPU存储使用方式，设置CFD的时间迭代步数和收敛条件；记GPU上网格分区数为block_num，流的分组数量num_stream_grp，每组流的数量num_stream，时间迭代步数为Max_Step，block_num、num_stream_grp、num_stream、Max_Step均为正整数；流场变量在GPU上的存储使用方式包括三类：第一类是针对全局流场变量的，在GPU上的存储使用方式为预先分配GPU存储，计算过程中无需重新分配、释放；第二类仍然是针对全局流场变量的，但在GPU上的存储使用方式为临时分配GPU存储，计算过程中需要重新分配、释放，需要在CPU和GPU间拷入拷出；第三类是针对各CFD计算过程涉及的局部流场变量的，在GPU上的存储使用方式为临时分配、使用、释放GPU存储空间；设置方法如下：2.1启动分组多流管理软件根据网格分区数初始化配置GPU流的分组，将num_stream_grp初始化为1，num_stream初始化为block_num；2.2启动GPU存储管理软件将所有全局流场变量的GPU存储使用方式设置为第一类，局部流场变量的GPU存储使用方式设置为第三类；2.3启动CFD时间步推进软件，设置CFD的时间迭代步数和收敛条件；第三步，执行GPU存储管理软件，根据第二步的设置为第一类变量预先分配GPU存储空间，并根据GPU存储空间使用情况调整流场变量的GPU存储使用方式，具体流程如下：3.1执行GPU存储管理软件，根据2.2设定的流场变量存储使用方式为第一类全局变量预先分配GPU存储空间，如果GPU存储空间不足则转3.2，否则转3.3；3.2调整GPU存储使用方式和分组多流配置参数，方法是：3.2.1执行分组多流管理软件，流的分组数量重新设置为num_stream_grp＝num_stream_grp+1,相应地每组内GPU流的数量为其中指的是大于X的最小的整数；3.2.2如果num_stream≥2，在CPU上执行GPU存储管理软件，根据流场变量存储使用方式分配GPU存储空间，如果GPU存储空间不足则转3.2.1，否则转3.3；如果num_stream＜2，则转3.2.3；3.2.3将部分全局流场变量的GPU存储使用方式由第一类改为第二类，即在分组多流中对这部分变量采用临时分配GPU存储，具体过程如下：3.2.3.1判定是否存在以第一类方式使用GPU存储的全局流场变量，若有则选取一个该类型全局流场变量，将该全局流场变量的GPU存储使用方式改为第二类，转3.2.3.2；如果不存在，则无法再进行调整，提示“GPU存储空间不足”的错误信息，转第六步；3.2.3.2将GPU流的分组数量num_stream_grp初始化为1，每组流的数量num_stream初始化为block_num，转3.1；3.3对于以第一类方式使用GPU存储的全局流场变量，将CPU上变量值拷贝到GPU上，执行第四步；第四步，执行CFD时间步推进软件、GPU存储管理软件、分组多流管理软件，创建GPU上的多流，由GPU进行多区结构网格CFD应用的多流计算，具体步骤如下：4.1执行CFD时间步推进软件，初始化时间步循环的计数器变量n_step＝1；4.2执行GPU存储管理软件，为采用第二类和第三类方式使用GPU存储空间的全局、局部流场变量临时分配空间；4.3执行分组多流管理软件，通过一个两层嵌套循环构建分组多流，外层循环针对分组，内层循环针对每组的多流；在外层循环内动态创建num_stream个GPU流，在内层循环由GPU进行多区结构网格CFD应用的多流计算，具体流程如下：4.3.1初始化外层循环的计数器变量stream_grp_id＝1；4.3.2根据当前的分组多流配置，动态创建num_stream个GPU流；4.3.3初始化内层循环的计数器变量stream_id＝1；4.3.4计算映射到第stream_grp_id个组的第stream_id个流的网格分区的编号nc＝(stream_grp_id‑1)*num_stream+stream_id，如果nc>block_num，则转4.4，否则转4.3.5；4.3.5利用第stream_id个GPU流启动与第nc个区块相关的操作，包括：启动从CPU拷入该区块到GPU的操作，启动GPU内核代码执行该区块在GPU上的计算，启动从GPU拷出该区块到CPU的操作；4.3.6GPU根据第stream_id个GPU流包含的操作执行第nc个网格分区在GPU上的计算以及在CPU与GPU间的拷入、拷出操作；4.3.7计数器变量stream_id的值增加1，若stream_id<＝num_stream，则转4.3.4，否则转4.3.8；4.3.8对第stream_grp_id个组内的多GPU流的执行进行同步；4.3.9销毁第stream_grp_id个组内的多GPU流；4.3.10计数器变量stream_grp_id的值增加1，如果stream_grp_id<＝num_stream_grp，则转4.3.2，否则转4.4；4.4执行GPU存储管理软件，释放4.2临时分配、使用的GPU空间；4.5执行CFD时间步推进软件，计数器变量n_step的值增加1，如果n_step<＝Max_Step且不满足收敛条件，则转4.2；如果n_step>Max_Step或满足收敛条件，转第五步；第五步，执行GPU存储管理软件，将GPU计算结果拷回CPU，释放所有GPU存储空间，结束多区结构网格CFD的分组多流GPU加速；第六步，结束多区结构网格CFD软件的运行。