面向GPU架構的CCFD-KSSolver組件設計和實現(xiàn)

張浩源，馬文鵬，袁武，張鑒，陸忠華

1.中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心，北京 100083

2.中國科學院大學，北京 100049

3.信陽師范學院，河南 信陽 464000

引 言

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）的基本任務就是在給定初邊值條件下，結(jié)合空間離散格式和時間推進方法數(shù)值求解Navier-Stokes 方程。根據(jù)控制方程的離散方式不同，時間推進方法分為顯式和隱式兩類，顯式算法如多步Runge-Kutta[1]方法，具有實現(xiàn)簡單、計算量小和精度較高等優(yōu)點，但穩(wěn)定性條件限制了時間步長，使顯式算法的計算時間代價很大。因此，目前普遍采用隱式算法，該類算法又分為直接法和迭代法兩種。直接法一般基于對系數(shù)矩陣的近似因子[2]分解，將復雜矩陣轉(zhuǎn)化成易于求解的形式，如對角化方法、上下交替方向隱式法、上下對稱高斯賽德爾法、對角并行上下松弛法等。迭代法包括基于矩陣分裂的定常迭代方法和非定常迭代方法[3]，后者主要是Krylov 子空間方法。其中，針對對稱矩陣比較有代表性的方法是共軛梯度法（Conjugate Gradient,CG），針對非對稱矩陣有廣義最小殘差法（Generalized Minmal Residual Method,GMRES）。

CCFD系列軟件是國家“863計劃”“十一五”和“十二五”連續(xù)支持的高性能流體力學計算軟件，到目前已經(jīng)經(jīng)歷了3 個版本，其中，CCFD V3.0[4]由中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心研發(fā)，主要針對國產(chǎn)超算平臺神威-太湖之光的申威20610 處理器開發(fā)，從并行算法、訪存模型、通信模式等多方面進行了優(yōu)化，在高性能計算重點專項的百萬核規(guī)模并行測試中并行效率達到了43%，實現(xiàn)了針對國產(chǎn)異構計算平臺的良好適配。……