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      基于gpu的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法

      文檔序號:8299007閱讀:348來源:國知局
      基于gpu的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明示例性實施例總體上涉及材料全局物態(tài)方程仿真模擬領(lǐng)域,具體地,涉及一種基于圖形處理單元(GPU)的材料全局物態(tài)方程參數(shù)的生成方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002]物態(tài)方程是平衡態(tài)系統(tǒng)的溫度、密度和物態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)系式,描述了在給定物理條件下物質(zhì)的物態(tài)。因而,物態(tài)方程對于描述固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等各態(tài)物質(zhì)非常重要,它也是求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方程組不可缺少的一部分。
      [0003]物態(tài)方程參數(shù)可以通過實驗或者數(shù)值模擬的手段獲得。對于大范圍的物態(tài)方程參數(shù)由于苛刻的條件是無法實驗獲得的,只能通過數(shù)值模擬計算得到。目前成熟的獲得大范圍物態(tài)參數(shù)的數(shù)值方法是基于QEOS(Quotidian Equat1n Of State)模型(參見,例如MORE R,WARREN K,YOUNG D,et al.A new quotidian equat1n of state(QE0 S)for hotdense matter [J].Physics of Fluids,1988,31 (3059))。該模型將物態(tài)方程分成了三部分:電子、離子以及電子成鍵。該方法的優(yōu)點是可以獲得任意物理條件下的物態(tài)參數(shù),而且相對比較準(zhǔn)確;缺點是對于電子部分,由于需要求解Thomas-Fermi方程,需要耗費比較多的機時,尤其是當(dāng)材料組分復(fù)雜的時候,求解Thomas-Fermi方程組將耗費大量的機時。而目前求解Thomas-Fermi方程組的實現(xiàn)以CPU為主,由于CPU計算能力不足直接影響到其計算效率,因此在可以接受的機時內(nèi)只能計算很小的空間尺寸和時間尺寸;或者為了提高計算量可以建設(shè)大規(guī)模甚至超大規(guī)模的CPU計算機集群,但這樣又會出現(xiàn)耗電量過大、使用和維護成本極高等問題,不利于快速有效的進行物態(tài)方程的模擬。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004]本發(fā)明示例性實施例提出了一種基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法,通過在一個或多個GPU上并行計算材料的各物態(tài)點各組分的物態(tài)量來得到全局物態(tài)參數(shù)。該方法包括以下步驟:
      [0005]a、根據(jù)材料的物態(tài)點和組分,在至少一個GPU中分配多個線程,每個線程處理一個物態(tài)點下一種組分的Thomas-Fermi方程;
      [0006]b、判斷每個方程的處理結(jié)果是否滿足邊界條件,如果不滿足,調(diào)整相應(yīng)組分的原子半徑,并返回步驟a進行迭代處理,直至滿足邊界條件;如果滿足邊界條件,計算每個物態(tài)點下每種組分的電離率;
      [0007]C、根據(jù)材料的物態(tài)點數(shù),在所述至少一個GPU中分配線程,每個線程判斷一個物態(tài)點下的電荷是否守恒,如果不守恒,調(diào)整化學(xué)勢,并返回a進行迭代處理,直至電荷守恒;如果電荷守恒,計算各物態(tài)點的電子部分的物態(tài)量;
      [0008]d、根據(jù)材料的物態(tài)點數(shù),在所述至少一個GPU中分配線程,每個線程計算一個物態(tài)點的離子部分的物態(tài)量;
      [0009]e、在固體密度下零溫和常溫的物態(tài)點,根據(jù)電子部分與離子部分的壓強數(shù)據(jù)計算材料的化學(xué)鍵修正參數(shù);以及
      [0010]f、根據(jù)材料的物態(tài)點數(shù),在所述至少一個GPU中分配線程,每個線程計算一個物態(tài)點下的化學(xué)鍵修正部分,并與電子部分和離子部分的物態(tài)量相加,得到總物態(tài)量。
      [0011]根據(jù)示例實施例,所述至少一個GPU包括進行并行處理的多個流處理器,每個流處理器對應(yīng)一個線程。
      [0012]根據(jù)示例實施例,步驟a中所分配的線程的數(shù)目等于材料的物態(tài)點數(shù)和組分?jǐn)?shù)之積。
      [0013]根據(jù)示例實施例,步驟a中處理Thomas-Fermi方程包括:在每個線程中將初始化學(xué)勢及原子半徑作為輸入,采用二階龍格庫塔方法積分Thomas-Fermi方程,來求解零邊界處的 Thomas-Fermi 勢。
      [0014]根據(jù)示例實施例,電子部分和離子部分的物態(tài)量均包括壓強、內(nèi)能和自由能。
      [0015]根據(jù)示例實施例,步驟e中計算計算化學(xué)鍵修正參數(shù)包括:根據(jù)在常溫、密度為固態(tài)密度的物態(tài)點下材料體模量與總壓強的關(guān)系以及在零溫、密度為固態(tài)密度的物態(tài)點下總壓強為零,計算化學(xué)鍵修正部分的參數(shù)。
      [0016]根據(jù)示例實施例,所述方法在步驟a之前還包括:初始化步驟,輸入材料的信息,包括材料的物態(tài)點和組分,并利用輸入的材料信息對GPU內(nèi)存進行初始化。
      [0017]根據(jù)示例實施例,在初始化步驟中還輸入:材料的組分比例、各組分原子序數(shù)、原子量、物態(tài)點所對應(yīng)的溫度、密度以及材料常溫固態(tài)的體模量,所述物態(tài)點至少包含密度為固體密度,溫度分別為零溫和常溫的兩個物態(tài)點。
      [0018]根據(jù)示例實施例,在初始化步驟中還利用輸入的材料信息對中央處理單元CPU內(nèi)存進行初始化。
      [0019]根據(jù)示例實施例,所述方法還包括:將總物態(tài)量和各部分的物態(tài)量返回CPU,作為材料的全局物態(tài)方程參數(shù)。
      [0020]本發(fā)明實現(xiàn)了基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法,充分利用GPU的超強浮點運算能力、高帶寬及多輕量計算核心的特點,及GPU內(nèi)眾多可進行并行處理的流處理器,將QEOS模型適合于GPU硬件架構(gòu)。此外,GPU和CPU充分結(jié)合,發(fā)揮各自優(yōu)勢,極大地提高了運算效率。在可以接受的能耗和時間條件下,取得了非常好的計算效果,達(dá)到了提高運算效率的效果。
      【附圖說明】
      [0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細(xì)的說明,其中:
      [0022]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法的流程圖。
      【具體實施方式】
      [0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例實施例進行詳述。以下描述包括各種具體細(xì)節(jié)以輔助理解,但這些具體細(xì)節(jié)應(yīng)僅被示為示例性的。因此,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到,可以在不脫離本公開范圍和精神的情況下對這里描述的各個實施例進行各種改變和修改。此夕卜,為了清楚和簡明起見,省略了公知功能和結(jié)構(gòu)的描述。
      [0024]以下描述和權(quán)利要求中使用的術(shù)語和詞語不限于其字面含義,而是僅由發(fā)明人用于實現(xiàn)本發(fā)明的清楚一致的理解。因此,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚,對本發(fā)明各個示例實施例的以下描述僅被提供用于說明目的,而不意在限制由所附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明。
      [0025]以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實施例。
      [0026]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法的流程圖。該全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法可以在一個或多個GPU上執(zhí)行,每個GPU包括多個流處理器,每個流處理器對應(yīng)一個線程,進行并行處理,提高了運算效率。CPU可以用于初始化和結(jié)果輸出等操作。
      [0027]如圖1所示,方法100包括初始化步驟,輸入材料的信息,包括材料的物態(tài)點和組分,并利用輸入的材料信息對GPU內(nèi)存進行初始化。這里,在初始化步驟中還可以輸入:材料的組分比例、各組分原子序數(shù)、原子量、物態(tài)點所對應(yīng)的溫度、密度以及材料常溫固態(tài)的體模量,所述物態(tài)點必須至少包含密度為固體密度,溫度分別為零溫和常溫的兩個物態(tài)點。可以利用輸入的材料信息對CPU內(nèi)存進行初始化。
      [0028]在初始化之后,在步驟102,根據(jù)材料的物態(tài)點和組分,在至少一個GPU中分配多個線程,每個線程處理一個物態(tài)點下一種組分的Thomas-Fermi方程。具體地,將給定的材料初始化學(xué)勢及各組分原子半徑存入GPU。根據(jù)物態(tài)點數(shù)和組分?jǐn)?shù)之積分配GPU線程數(shù),在每個線程中將初始化學(xué)勢及原子半徑作為輸入,采用二階龍格庫塔方法積分Thomas-Fermi方程求解零邊界處的Thomas-Fermi勢。
      [0029]在步驟104,判斷每個方程的處理結(jié)果
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