基于GPU并行的反应堆物理计算方法研究

反应堆物理计算方法是核反应堆研究和设计的基础，随着先进核能技术的发展，对反应堆物理计算的计算速度和精度都提出了很高要求，而并行计算技术是提高反应堆物理计算效率的最有效手段之一，近年来随着基于GPU（图形处理器，Graphic Processing Unit）的并行计算技术的发展，GPU并行计算已经成为科学计算中的有力工具，研究GPU并行方法在反应堆物理计算中的应用，具有很大的研究潜力。本课题研究的内容是分析GPU和CPU并行计算的特点及不同之处，探索将GPU应用于反应堆物理计算中的方法，针对不同的条件，研究适用于CPU－GPU异构并行计算的中子输运计算方法，包括扩散和输运计算算法针对GPU计算的改进、异构平台下的算法逻辑和并行计算数据的组织管理等，目的是将计算机硬件的最新进展应用到反应堆物理计算中，提高反应堆物理计算的速度和准确，以适应先进核能系统对反应堆物理计算的要求。

反应堆物理计算方法是核反应堆研究和设计的基础，随着先进核能技术的发展，对反应堆物理计算的计算速度和精度都提出了很高要求。近年来基于GPU（图形处理器，Graphic Processing Unit）的并行计算已经成为科学计算中的有力工具，本课题的工作即是研究GPU并行方法在反应堆物理计算中的应用。.根据项目计划书的安排以及GPU并行计算在技术上的特点，本课题在GPU应用的算法研究、程序研发和效率分析等方面进行了具体的研究工作，包括：1）三维扩散细网有限扩散差分临界及中子时空动力学方程的GPU并行求解算法及程序编制；2）共轭梯度法在GPU求解扩散方程中的应用研究；3）CPU-GPU异构计算中内存数据管理方法研究；4）GPU并行计算中线性方程组的迭代算法效率分析；5）中子输运蒙特卡罗方法在GPU上实现效率的初步分析等。.课题在细致分析中子扩散方程求解算法流程针对GPU并行计算所需修正的基础上，基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)编写了采用GPU并行加速的三维扩散有限差分临界/时空动力学求解程序RDGS(REAL Diffusion GPU Solver) ，程序使用共轭梯度法和源迭代方法求解反应堆临界问题，并使用了多层网格MultiLevel 加速方法求解隐式向后差分离散的时空动力学方程。其中临界计算部分相对于传统的细网反应堆物理计算程序取得了数百倍的加速效果。课题研究了不同稀疏矩阵存储格式对程序计算性能的影响，并分析了在GPU加速条件下，不同迭代算法求解临界问题的优劣。.通过课题的研究工作，加深了对于在反应堆物理数值计算中应用GPU并行计算的优缺点的理解，研究算法并编制了相应程序系统，可以大大提高反应堆物理计算和安全分析的效率。课题工作的成果可以有效促进反应堆物理在大型异构并行计算机上的发展，对于后续的研究有着具体的指导意义。