电大复杂电磁问题的DGTD方法和硬件加速技术研究

One of the major challenging issues in the field of computational electromagnetics is how to solve the electric-large complex electromagnetic (EM) problems quickly and accurately. It is of great importance to seek fast numerical methods and hardware acceleration techniques for the electric-large complex EM problems. The main purpose of the proposed research is to further develop the advanced discontinuous Galerkin time domain (DGTD) algorithm theory and the hardware acceleration techniques for fast and accurate solving of the electric-large complex EM problems..About the DGTD algorithm theory, the key research points include: high-precision DGTD algorithm based on hybrid grid technology for multi-scale complex EM problems; the electromagnetic modeling of circuit components and fast algorithm to achieve electromagnetic field and circuit hybrid simulation; the waveguide port boundary condition (WPBC) electromagnetic model and fast algorithm to achieve fast and accurate simulation and analysis of open waveguide problem. About the parallel technology, the research focus is on: four-level parallel processing techniques based on the CPU and GPU hybrid architecture; the load balance techniques and optimization methods for CPU and GPU hybrid architecture to achieve high parallel performance; the vector unit hardware acceleration techniques based on SSE (Streaming SIMD(single instruction multiple data) Extensions) and AVX (Advanced Vector Extensions) instructions. Practical complex electrically large problems will be employed to validate efficiency and performance of the proposed methods.

电大复杂电磁问题快速精确求解是当今计算电磁学领域的重大课题之一，研究电大复杂电磁问题的快速计算方法以及硬件加速技术具有十分重要的意义。本课题研究目的是进一步发展时域间断伽辽金算法(DGTD)理论和硬件加速技术，实现电大复杂电磁问题的快速精确求解。在DGTD算法理论方面，研究基于混合网格技术的高精度DGTD算法，用于分析求解多尺度复杂目标电磁问题；电路元器件的电磁建模和快速算法，实现电磁场、电路混合仿真；波导端口边界条件(WPBC)的电磁模型和快速算法，实现开放波导问题的快速精确仿真和分析。在并行技术方面，研究DGTD方法在CPU/GPU混合集群上四级并行理论；CPU/GPU混合架构的负载均衡技术和优化方法，实现高效并行；基于SSE、AVX指令集的矢量单元硬件加速技术等。通过电大复杂结构的电磁辐射和散射应用实例验证本项目研究方法的实用性和有效性。

计算电磁学难点之一是如何快速精确分析电大复杂电磁问题，硬件加速技术解决该问题的有效方法，具有十分重要的意义。本项目重点研究了DGTD算法及波端口电磁模型与参数提取研究，针对非均匀波端口问题，提出了基于总场/散射场的DGTD算法模型和端口参数提取方法，实现非均匀波端口问题的时域有效快速仿真；电大目标散射问题DGTD算法的GPU硬件加速技术研究，实现高效并行；基于JAUMIN架构的并行DGTD算法研究，应用并行DGTD算法分析了飞机、轮船等电大目标的电磁散射问题，分析了机箱等典型目标的电磁兼容问题，测试的并行规模达千核级别；同时，本项目研究设计了基于人工表面等离子激源的滤波器、天线、涡旋波等微波器件。研究主要结果包括：.（1）DGTD算法及波端口电磁模型与参数精确提取：针对非均匀波端口问题，提出了基于总场/散射场的DGTD算法模型和端口参数提取方法，实现非均匀波端口问题的时域有效快速仿真。.（2）电大目标快速仿真的GPU加速技术：高效实现DGTD算法的GPU并行加速，在GPU加速实现中，通过分析GPU架构与编程特点与DGTD算法运算过程，优化程序的内存布局，实现内存的高效利用，并使用该程序对大量实际问题做了电磁仿真分析。.（3）基于JAUMIN架构的并行DGTD算法与程序开发：JAUMIN是一套基于MPI的非结构网格并行支持框架，JAUMIN不仅提供了一套系统的并行支持框架，并且提供了一套构件式的编程规范，本项目研发基于JAUMIN架构的并行DGTD软件，并在高性能计算平台上进行测试分析电大复杂目标的电磁问题。.（4）人工表面等离激元特性研究以及微波器件设计：研究设计了一种新型人工表面等离激元结构，基于该新型结构，研制了系列带通、带阻滤波器，实现高效传输；利用提出的新型人工表面等离激元的高次模，研制了宽带频率扫描天线。