基于GPU加速的FDTD算法對(duì)電磁輻射與散射問題的研究.pdf

1、時(shí)域有限差分法(Finite-Different Time-Domain Method)最早是由K.S.Yee在1966年提出的，是電磁計(jì)算領(lǐng)域的一種常用方法。在近幾十年來，由于其獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用和重視。然而，這種方法在進(jìn)行空間網(wǎng)格離散化時(shí)，必須滿足該算法穩(wěn)定性條件和計(jì)算精度的需求，對(duì)于電大尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)的電磁問題，會(huì)產(chǎn)生數(shù)量龐大的網(wǎng)格，單臺(tái)PC機(jī)將很難提供足夠的存儲(chǔ)空間，且計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)，計(jì)算性能降低。針對(duì)這些

2、不足，并行FDTD算法可將大規(guī)模計(jì)算分割成小塊來同時(shí)分別處理，既解決了內(nèi)存不足又縮短了計(jì)算時(shí)間，從而為解決電大尺寸電磁問題提供了有效地方法。
　　 計(jì)算機(jī)圖形處理器GPU(Graphic Process Units)將數(shù)據(jù)流并行處理的概念引入硬件結(jié)構(gòu)中，具有高性能的數(shù)據(jù)并行處理能力,使其在通用計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的潛力。最新的通用計(jì)算GPU模型是統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)CUDA(Compute Unified Device Archite

3、cture)，它是NVIDIA公司的可編程多線程GPU提供的一種技術(shù)。CUDA可以為程序員提供充分調(diào)度數(shù)千個(gè)線程的能力。目前NVIDIA公司的GPU可以有效地支持?jǐn)?shù)量巨大的線程，因此可以提高程序的性能達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。另一方面，由于FDTD算法在空間上具有天然的并行性，因此非常適合于在GPU上實(shí)現(xiàn)并行算法。
　　 本文針對(duì)傳統(tǒng)FDTD算法的不足，以圖形加速卡為核心，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究并實(shí)現(xiàn)了基于GPU加速的FDTD并行算法

4、。同時(shí)，本文還對(duì)CUDA應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)訪問的優(yōu)化，這些數(shù)據(jù)訪問主要包括對(duì)芯片上的幾種內(nèi)存空間，如共享內(nèi)存、常量?jī)?nèi)存，以及寄存器。每個(gè)內(nèi)存空間都有它們自己的性能特點(diǎn)和限制。本地內(nèi)存和全局內(nèi)存是沒有緩存的，它們的訪問時(shí)延很大。又由于共享內(nèi)存具有寫入塊共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)可以被同一個(gè)塊里的其他線程讀取而不能被不同塊的線程讀取的特征，因此，共享內(nèi)存可以在硬件中非常有效地實(shí)現(xiàn)所需要的快速內(nèi)存訪問。典型的CUDA操作順序是：1)把任務(wù)

5、分解為子任務(wù)2)把數(shù)據(jù)分解為小塊，以使它們適合存儲(chǔ)于寄存器和共享內(nèi)存3)把數(shù)據(jù)塊從全局內(nèi)存中讀出，并存儲(chǔ)于寄存器和共享內(nèi)存中4)用線程塊處理每個(gè)數(shù)據(jù)塊5)把結(jié)果拷貝回全局內(nèi)存。因此，進(jìn)行CUDA程序開發(fā)時(shí)面臨的最重要的性能挑戰(zhàn)之一就是如何充分地利用本地多處理器內(nèi)存資源，合理地使用這些內(nèi)存空間能夠大大提高CUDA程序的性能。
　　 本文是在CUDA支持的NVIDIA GeForce 9800GT上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，該顯卡具有112個(gè)流

6、處理器和512MB的顯存。我們?cè)谠撚布A(chǔ)上研究了如何通過使用通用 GPU處理器的并行結(jié)構(gòu)來減少FDTD算法運(yùn)行的計(jì)算時(shí)間。本篇論文的結(jié)構(gòu)如下：在第二部分，主要闡述了FDTD算法的理論背景。在第三部分，闡述了GPU通用計(jì)算具體實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀。在第四部分，概述了GPGPU的CUDA結(jié)構(gòu)模型以及如何具體實(shí)現(xiàn)基于GPU的并行FDTD算法。第五部分，描述了在CUDA編程模型上的FDTD算法的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化過程。第六部分，通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果證明，