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2021年中国高性能计算机发展现状分析与展望

数据与计算发展前沿 2021年第6期3卷 98-107页

作者：张云泉袁良袁国兴李希代中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室北京100190 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

【目的】本文根据2021年11月发布的中国高性能计算机TOP100排行榜的数据,对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域等方面进行了深入分析。【结果】中国TOP100的平均Linpack性能继续保持比国际TOP 500平均Linpack性能... 详细信息

【目的】本文根据2021年11月发布的中国高性能计算机TOP100排行榜的数据,对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域等方面进行了深入分析。【结果】中国TOP100的平均Linpack性能继续保持比国际TOP 500平均Linpack性能高的局面,且TOP100的入门性能门槛仍然超过TOP 500。中国TOP100上的超级计算系统出现了新面孔,北龙超云公司的五台机器上榜。联想为系统数量冠军,联想、曙光和浪潮三强争霸的局面逐步演化为联想和浪潮的竞争。应用领域新增算力服务,充分反映当前发展趋势。【结论】本文根据二十届排行榜的性能数据,详细阐述了算力经济发展现状,并对未来中国大陆高性能计算机的发展趋势进行了分析预测。

关键词：高性能计算机 TOP100 排行榜性能分析

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基于MPI的高精度归约函数设计与实现

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计算机工程与科学 2021年第4期43卷 594-602页

作者：何康黄春姜浩谷同祥齐进刘杰国防科技大学计算机学院湖南长沙410073 北京应用物理与计算数学研究所北京100000 国防科技大学并行与分布处理重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学复杂系统软件工程湖南省重点实验室湖南长沙410073

随着科学工程计算大规模、高维数和长时程的特性越来越显著,浮点舍入误差的累积效应往往使得计算结果不可信,提高计算精度成为了并行计算领域研究的热点之一。基于MPICH3框架,采用无误差变换技术构建新的数据格式和相应运算操作符,设计... 详细信息

随着科学工程计算大规模、高维数和长时程的特性越来越显著,浮点舍入误差的累积效应往往使得计算结果不可信,提高计算精度成为了并行计算领域研究的热点之一。基于MPICH3框架,采用无误差变换技术构建新的数据格式和相应运算操作符,设计了高精度归约函数MPI_ACCU_REDUCE,实现了高精度的求和、求积和求L2范数3种MPI归约运算。数值实验结果表明,提出的3种高精度归约运算有效提高了数值计算的精度。

关键词： MPI 高精度计算归约操作无误差变换

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万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

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强激光与粒子束 2020年第9期32卷 104-115页

作者：王哲斌段晓溪张琛薛全喜杨为明章欢彭晓世理玉龙刘永刚关赞洋刘浩孙亮叶青李志超郭亮李三伟杨冬王峰杨家敏江少恩丁永坤中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 西北核技术研究院激光与物质相互作用国家重点实验室西安710024

针对极端高压条件物质特性研究需求,在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究,建立... 详细信息

针对极端高压条件物质特性研究需求,在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究,建立了实用的高压加载设计方法,重点优化了高压加载源的平面性和干净性,发展了高压状态精密表征技术,实现了1011 Pa以上准等熵,1012 Pa以上冲击以及两种路径之间的宽区高压加载状态能力,为激光装置上的高压状态方程及相变动力学研究提供了重要的技术基础。

关键词：冲击压缩准等熵压缩整形激光极端高压物性

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皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度

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强激光与粒子束 2020年第4期32卷 73-77页

作者：毕碧周维民单连强魏来刘东晓张锋田超邓志刚袁宗强王为武卢峰吴俊峰蔡洪波任国利吴凤娟李晋陈韬杨轶濛张发强杨雷曹磊峰谷渝秋中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室四川绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100088 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室四川绵阳621010

为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基... 详细信息

为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致,实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm2。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征,为后续实验提供了改进方向。

关键词：快点火预压缩短脉冲背光成像密度诊断

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2020年中国高性能计算机发展现状分析

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计算机工程与科学 2020年第12期42卷 2103-2108页

作者：袁国兴张云泉袁良北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室北京100191

根据2020年11月发布的中国高性能计算机性能TOP100排行榜的数据,对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域、部署机构等方面进行了讨论分析,同时对未来发展进行了展望。

关键词：高性能计算机性能排行榜测评技术

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半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device设计与实现

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强激光与粒子束 2020年第4期32卷 89-96页

作者：李光荣赵振国王卫杰游春光周海京中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院复杂电磁环境科学与技术重点实验室四川绵阳621900

针对复杂电磁环境下器件多物理效应机理研究需求,研发了半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device。介绍了JEMS-CDS-Device的架构设计与实现技术。程序基于非结构网格并行框架JAUMIN实现,采用有限体积法(FVM)离散,使用牛顿法全耦合... 详细信息

针对复杂电磁环境下器件多物理效应机理研究需求,研发了半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device。介绍了JEMS-CDS-Device的架构设计与实现技术。程序基于非结构网格并行框架JAUMIN实现,采用有限体积法(FVM)离散,使用牛顿法全耦合求解"电-载流子输运-热"问题。程序采用"内核+算法库"形式架构,支持2维和3维非结构网格、千万自由度问题并行求解,支持物理方程、离散算法、材料物理模型等的扩展开发。

关键词：半导体数值模拟漂移扩散模型有限体积法全耦合自动微分高性能计算

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激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

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强激光与粒子束 2021年第1期33卷 1-60页

作者：王立锋叶文华陈竹李永升丁永坤赵凯歌张靖李志远杨云鹏吴俊峰范征锋薛创李纪伟王帅杭旭登缪文勇袁永腾涂绍勇尹传盛曹柱荣邓博杨家敏江少恩董佳钦方智恒贾果谢志勇黄秀光傅思祖郭宏宇李英骏程涛高振方丽丽王保山王英华曾维新卢艳旷圆圆赵振朝陈伟戴振生谷建法葛峰峻康洞国张桦森乔秀梅李蒙刘长礼申昊许琰高耀明刘元元胡晓燕徐小文郑无敌邹士阳王敏朱少平张维岩贺贤土北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京大学应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院北京100871 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800 中国矿业大学(北京) 北京100083 中国海洋大学数学科学学院山东青岛266100 安徽大学物理与材料科学学院合肥230039

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控... 详细信息

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍(属于内禀困难)是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象(如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸)中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置(NIF)内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。

关键词：激光聚变惯性约束聚变流体力学不稳定性高能量密度物理非线性流动辐射流体力学内爆物理

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基于并行框架的KYLIN-Ⅱ程序输运模块并行开发

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核动力工程 2020年第S01期41卷 18-21页

作者：涂晓兰刘东王鑫柴晓明芦韡冯竟超安萍马党伟汤臣杭刘盈中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室成都610213 中核核能软件与数字化反应堆工程技术研究中心成都610213 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

KYLIN-Ⅱ程序的输运计算模块采用了特征线(MOC)中子输运计算方法,其计算精度较高,但计算效率较低,因此需要对其进行并行优化,以提高计算效率。本文基于并行框架进行并行编程,重新设计了输运模块底层数据结构,将网格标通量、通量矩、粗... 详细信息

KYLIN-Ⅱ程序的输运计算模块采用了特征线(MOC)中子输运计算方法,其计算精度较高,但计算效率较低,因此需要对其进行并行优化,以提高计算效率。本文基于并行框架进行并行编程,重新设计了输运模块底层数据结构,将网格标通量、通量矩、粗网格净中子流等数据注册到并行框架上,并重新组装了输运模块计算流程,实现了对输运模块的并行重构,提高了程序的计算效率,解决了直接开发并行软件时开发要求高、开发周期长等问题。通过基准题验证表明,本文的并行优化计算精度与原程序基本一致,加速效果较好,在190个核上的并行效率可达74%。

关键词：并行框架中子输运方程特征线方法(MOC) 并行重构

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惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

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强激光与粒子束 2020年第9期32卷 93-103页

作者：蔡洪波张文帅杜报燕鑫鑫单连强郝亮李志超张锋龚韬杨冬邹士阳朱少平贺贤土北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京大学应用物理与技术中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生院北京100094

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应... 详细信息

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作:(1)聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;(2)激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;(3)等离子体中电磁场结构的质子照相反演。

关键词：惯性约束聚变动理学效应电磁场时空演化内爆对称性激光等离子体不稳定性质子照相反演

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计算流体力学中模型的时空关联性和算法的时空耦合性

计算流体力学中模型的时空关联性和算法的时空耦合性

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：李杰权北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室

流体力学模型往往具有时空关联性,计算方法也应该具备相应的性质。本报告从流体力学建模出发,明确时空关联性的涵义,建立有限体积格式的基本原理,阐述算法时空耦合的必要性。特别地,以两步四阶算法为例,给出时空耦合高精度数值方法设计... 详细信息

流体力学模型往往具有时空关联性,计算方法也应该具备相应的性质。本报告从流体力学建模出发,明确时空关联性的涵义,建立有限体积格式的基本原理,阐述算法时空耦合的必要性。特别地,以两步四阶算法为例,给出时空耦合高精度数值方法设计思路,比较与时空解耦方法的差别。

关键词：有限体积方法模型的时空关联性算法的时空耦合性

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