電磁散射與微波電路分析的并行加速技術(shù).pdf

1、隨著以電磁波為載體的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、軍民用雷達(dá)等電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展,三維電磁場(chǎng)數(shù)值仿真日益成為開展系統(tǒng)關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容等研究工作的一種重要手段。為了有效地對(duì)三維電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值建模,開發(fā)快速而精確的電磁計(jì)算方法一直是研究人員的關(guān)注重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),本文從計(jì)算機(jī)并行硬件和數(shù)值算法兩個(gè)途徑出發(fā),研究了圖形處理器(GPU)并行加速、CPU集群并行、時(shí)域譜元方法(SETD)等技術(shù),并將這些技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性研究、微

2、波毫米波電路尤其是有源非線性電路的電磁分析中。電磁算法必須在計(jì)算機(jī)硬件上執(zhí)行才能獲得對(duì)電磁現(xiàn)象的模擬能力。執(zhí)行電磁算法的傳統(tǒng)硬件平臺(tái)是中央處理器(CPU)。GPU并行加速技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)最新的前沿發(fā)展,大量研究表明GPU可以比CPU更快地完成浮點(diǎn)運(yùn)算。本文首先簡(jiǎn)要介紹了GPU的硬件體系結(jié)構(gòu),闡述了兩種把GPU運(yùn)用于數(shù)值計(jì)算的編程方法。一種是圖形編程方法,即用像素、紋理等圖形學(xué)元素表達(dá)數(shù)值計(jì)算的算法。采用圖形編程方法,本文實(shí)現(xiàn)了GPU對(duì)迭

3、代物理光學(xué)法(IPO)的加速,用于分析腔體的電磁散射問題。另外一種是使用NVIDIA公司的統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備(CUDA)函數(shù)庫(kù),該應(yīng)用程序員接口(API)使得GPU編程的難度大大降低。
　　 本文在CUDA編程模型下,研究了基于可編程GPU的多層快速多級(jí)子(MLFMA)方法。該方法通過把MLFMA的聚集、轉(zhuǎn)移、配置部分映射成具有單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)特性的核函數(shù)然后由GPU的多個(gè)處理器上并行執(zhí)行,降低了MLFMA算法完成矩陣矢量乘

4、的時(shí)間。這兩個(gè)應(yīng)用舉例表明,借助圖形編程方法或者CUDA接口,在傳統(tǒng)電磁數(shù)值算法中引入GPU加速手段是完全可行的。GPU加速技術(shù)在微分類電磁數(shù)值算法中也有很好的應(yīng)用。在棱邊有限元分析電磁散射的問題中,本文研究了一種基于GPU的FSAI預(yù)條件技術(shù)(GPU-FSAI)應(yīng)用于CG求解器。使用GPU-FSAI技術(shù)既可以有效地改善CG求解器的迭代收斂性能,同時(shí)有效地降低了FSAI預(yù)條件矩陣的施加和CG求解器中矩陣矢量乘操作的時(shí)間開銷。在無條件穩(wěn)定

5、的Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)方法中,本文提出了一種基于GPU的Bi-CGSTAB求解器。該方法使用CUDA的多線程編程模型把Bi-CGSTAB算法完全移植到GPU上執(zhí)行,從而顯著地降低了CN-FDTD的求解時(shí)間。以上應(yīng)用充分證明了GPU可以作為CPU的協(xié)處理器有效地加速電磁數(shù)值算法,同時(shí)能保證計(jì)算結(jié)果的正確性。unn氏振蕩源是通信、雷達(dá)等電子信息系統(tǒng)中廣泛使用的一類非線性信號(hào)源。由于具有瞬態(tài)分析非線性電路的

6、優(yōu)點(diǎn),時(shí)域電磁方法比頻域方法更適合Gunn氏振蕩源的分析。時(shí)域譜元法(SETD)是國(guó)際上一種比較新穎的時(shí)域方法,該方法采用曲面六面體離散,而且具有顯式求解特性。但傳統(tǒng)的SETD方法不能直接應(yīng)用于非線性有源電路的分析。因而本文基于SETD提出了一種新的時(shí)域電磁場(chǎng).電路混合算法(稱為擴(kuò)展的SETD方法)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Gunn氏振蕩源的快速分析。該方法把Gunn管的物理特性用一個(gè)非線性等效電路表征,同時(shí)考慮了Gunn管和外圍電路之間的電磁耦合。另外

7、還采用矩陣重排技術(shù)保留了傳統(tǒng)SETD方法的顯式求解特性。使用該方法成功地對(duì)復(fù)雜微帶型和波導(dǎo)型兩種微波Gunn氏振蕩源進(jìn)行了快速仿真。盡管SETD是一種顯式的時(shí)域電磁算法,但當(dāng)需要的時(shí)間迭代步數(shù)很多或者求解的未知量很大使得單個(gè)時(shí)間步求解很緩慢時(shí),計(jì)算仿真的總時(shí)間將大大增加,有時(shí)甚至不可忍受。為了進(jìn)一步提高SETD方法分析電磁問題的速度,本文分別研究了GPU技術(shù)和CPU集群技術(shù)對(duì)SETD方法的加速。使用CUDA編程模型把SETD的時(shí)間步進(jìn)操

8、作移植到GPU上執(zhí)行,可以大大縮減SETD的執(zhí)行時(shí)間。對(duì)于大未知量的電磁數(shù)值分析,本文基于流行的MPI庫(kù)開發(fā)了運(yùn)行于計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的并行SETD方法。在深入分析節(jié)點(diǎn)間通信的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種將計(jì)算機(jī)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信量降到最低的通信方案。數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明該并行SETD方法同時(shí)降低了每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存消耗量和總的仿真時(shí)間。為方便研究使用,基于并行的SETD方法還開發(fā)了一款電磁分析軟件,可以為有源、無源微波毫米波電路提供快速有效的時(shí)域電磁仿真。<