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流水线并行JFNK方法及在中子k本征值问题中的应用

刘礼勋 张汉 邬颖杰 郭炯 李富

刘礼勋, 张汉, 邬颖杰, 郭炯, 李富. 流水线并行JFNK方法及在中子k本征值问题中的应用[J]. 核动力工程, 2023, 44(5): 15-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0015
引用本文: 刘礼勋, 张汉, 邬颖杰, 郭炯, 李富. 流水线并行JFNK方法及在中子k本征值问题中的应用[J]. 核动力工程, 2023, 44(5): 15-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0015
Liu Lixun, Zhang Han, Wu Yingjie, Guo Jiong, Li Fu. Pipelined Parallel JFNK Method and its Application in Neutron k Eigenvalue Problem[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(5): 15-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0015
Citation: Liu Lixun, Zhang Han, Wu Yingjie, Guo Jiong, Li Fu. Pipelined Parallel JFNK Method and its Application in Neutron k Eigenvalue Problem[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(5): 15-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0015

流水线并行JFNK方法及在中子k本征值问题中的应用

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0015
基金项目: 北京市自然科学基金资助项目(1212012)
详细信息
    作者简介:

    刘礼勋(1998—),男,博士研究生,现主要从事多物理耦合方法研究,E-mail: llx20@mails.tsinghua.edu.cn

    通讯作者:

    张 汉,E-mail: han-zhang@tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: TL329.2

Pipelined Parallel JFNK Method and its Application in Neutron k Eigenvalue Problem

  • 摘要: JFNK(Jacobian-free Newton-Krylov)方法是求解中子k本征值和反应堆多物理场耦合等非线性问题的高效加速方法,其中的Krylov迭代常用广义极小残差法(简称GMRES)。并行JFNK方法是实现更大规模问题求解的必要手段,其核心是解决GMRES中Gram-Schmidt (简称GS)正交化过程集合通信多、并行效率低的问题。本文以三维中子k本征值问题为研究对象,开发了基于消息传递接口并行编程模型和空间区域分解技术的并行JFNK方法。针对GS正交化过程并行可扩展性差的问题,分析讨论了流水线方法,以提高并行JFNK的并行效率,并对比了采用经典GS正交化的并行JFNK、采用修正GS正交化的并行JFNK和采用流水线方法的并行JFNK的计算时间和并行效率。最后选用三维扩散基准题IAEA-3D进行了数值测试,测试结果表明采用流水线方法的并行JFNK并行效率显著高于使用经典或修正GS正交化的并行JFNK,且收敛性未受影响。

     

  • 图  1  JFNK方法的计算流程

    Figure  1.  Calculation Flow of JFNK Method

    图  2  空间区域分解并行示意图

    Figure  2.  Schematic Representation of Spatial Domain Decomposition

    图  3  并行JFNK方法中的计算和通信示意图

    Figure  3.  Computing and Communication Schematic in Parallel JFNK Method

    图  5  流水线方法的并行通信示意图

    Figure  5.  Schematic Diagram of Parallel Communication of Pipeline Method

    图  6  使用MPI非阻塞通信计算残差函数

    Figure  6.  Computing Residual Using MPI Non-Blocking Communication

    图  7  IAEA-3D基准题归一化组件功率计算结果

    Figure  7.  Normalized Assembly Power Results of IAEA-3D Benchmark

    图  8  使用不同正交化过程的并行JFNK收敛对比

    Figure  8.  Convergence Comparison of Parallel JFNK Using Different Orthogonalization Procedures

    图  9  使用不同正交化过程的并行JFNK的各种运算用时对比       

    Figure  9.  Time Comparison of Various Operations of Parallel JFNK Using Different Orthogonalization Procedures

    图  10  使用不同正交化过程的并行JFNK的计算和通信用时对比

    Figure  10.  Time Comparison of Computing and Communication of Parallel JFNK Using Different Orthogonalization Procedures

    图  11  使用不同正交化过程的并行JFNK的并行加速比和并行效率

    Figure  11.  Speedup Ratio and Parallel Efficiency of Parallel JFNK Using Different Orthogonalization Procedures

    表  4  流水线GMRES中的Arnoldi过程

    Table  4.   Arnoldi Procedure in Pipelined GMRES Method

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    表  1  3种正交化过程的通信和计算次数对比

    Table  1.   Comparison of Communication and Computation Among Three Orthogonalization Procedures

    正交化过程CGSMGS流水线
    集合通信次数2mm(m+3)/2m+1
    矩阵向量积次数mmm+1
    AXPY运算次数mm2m
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    表  2  不同计算节点数下的JFNK的计算用时

    Table  2.   Total Computing Time of JFNK under Different Number of Nodes

    计算节点数计算时间/s
    JFNK-CGSJFNK-MGSJFNK-流水线
    1177.13222.86234.72
    441.6645.0853.20
    822.1026.4125.84
    1214.8122.5517.70
    1611.5919.9813.64
    249.1920.299.12
    328.4722.897.37
    408.0631.956.17
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-01
  • 修回日期:  2023-04-04
  • 刊出日期:  2023-10-13

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