本发明专利技术的实施例提供了一种基于特征线法在国产加速卡实现反应堆中子输运计算的加速方法，该计算加速方法针对反应堆物理关键计算技术与方法进行加速，包括基于确定论的特征线法解决中子输运方程计算理论的程序表达与计算程序相关物理模型实现，使用OpenMP+MPI实现运算程序并行性，基于开源OpenMOC计算平台，对计算加速相关关键代码进行移植与改进，匹配并适应国产加速卡。从而达到如下的良好效果：匹配并适应国产加速卡，有效利用国产加速卡的能力达到良好的加速效果；在保证计算精度与准确性的前提下，又提供了丰富的硬件兼容性与可扩展性；实现运算的并行性，中子输运方程计算需要大量计算资源，这使得计算可在高性能计算机大规模部署，进一步保证了计算的高速可靠。
A calculation method of neutron transport in reactor based on domestic accelerator
【技术实现步骤摘要】
一种基于国产加速卡的反应堆中子输运计算方法
本专利技术涉及核反应堆技术和计算机物理计算领域，更具体地，涉及一种基于特征线法在国产加速卡实现反应堆中子输运计算的加速方法。
技术介绍
反应堆物理与整个核工业的其它相关学科，比如核材料，反应堆热工，反应堆安全都有密切关系。反应堆物理的相关基础知识也是这些学科的基础。在物理学中，描述大量粒子的统计行为的方程是波尔兹曼方程，该方程可以精确描述粒子的统计行为。在反应堆物理中，用来描述反应堆内大量中子的统计行为的，就是中子输运方程。中子输运方程的严格求解通常是不可能实现的，原因是中子在堆内的行为与中子截面，中子运动方向，中子能量，时间，中子的位置等多种因素有关，非常复杂。特征线法是目前求解反应堆中子输运方程的主要计算方法之一，其具有较高的计算精度与几何适应能力。OpenMOC是使用特征线法解决反应堆物理中中子输运临界问题的开源代码。它解决了以燃料组件，甚至反应堆核心为代表的核系统中的中子输运方程。作为反应堆物理计算重要的支撑技术，基于高性能计算机的计算加速方法成为反应堆物理发展的重要瓶颈与发展方向。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于OpenMOC在国产加速卡实现中子输运方程求解加速的方法，一方面提高反应堆物理乃至我国核工业发展的自主可控水平，另一方面，本专利技术的方法可以有效解决反应堆物理发展瓶颈的上述计算问题。本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案为，一种反应堆中子输运计算的加速方法，包括如下步骤：获得核反应堆中子输运方程；获得所述核反应堆中子输运方程的求解方法；根据所述求解方法对核反应堆中子输运方程建立求解器，所述求解器的对于求解过程在CPU和国产加速卡的分配如下，在CPU中进行I/O和所述中子输运方程中射线跟踪计算，然后将所述中子输运方程计算中所有的轨迹、片段和FSRs转换成相应结构的数组，并复制到所述国产加速卡的内存中，由所述国产加速卡进行计算，待所述国产加速卡中的计算完成后，将FSRs复制回CPU，由CPU生成输出计算结果、以及数据可视化文件。优选地，对所述核反应堆中子输运方程的求解方法为特征线法，所述特征线法对所述中子输运方程的微分形式进行积分求解，所述积分求解沿所述中子输运方程中中子飞行轨迹线进行。具体地，所述特征线法，基于开源OpenMOC计算平台。优选地，所述反应堆中子输运计算的加速方法，其中，在中子输运方程中，使用构造立体几何公式的方式来表示广泛且复杂的反应堆几何形状。优选地，所述求解器基于HIP实现，所述求解器由基于CUDA的程序转化而来，转化过程包括：使用hipify工具将DUDA文件转化为CPP文件，修改所述CPP文件中与HIP不兼容的部分，修改所述CPP文件中各个功能模块头文件，修改支持所述CPP文件的安装脚本，编译所述CPP文件得到求解器安装文件，安装求解器。优选地，所述求解器通过HIP对所述国产加速卡进行调用，所述国产加速卡的调用接口基于标准CPP实现。优选地，所述求解器使用MPI和OpenMP架构实现在多个CPU以及国产加速卡上的并行计算。优选地，所述求解器可以部署在大规模计算集群上。以上本专利技术所采用的技术方案与现有技术相比，具有以下技术优点：1)基于开源OpenMOC计算平台，对计算加速相关关键代码进行移植与改进。在保证计算精度与准确性的前提下，又提供了丰富的硬件兼容性与可扩展性。2)匹配并适应国产加速卡，实现有效且良好的计算加速效果。3)基于OpenMP与MPI实现运算的并行性。中子输运方程计算需要大量计算资源，这使得计算可在高性能计算机大规模部署，进一步保证了计算的高速可靠。附图说明通过结合附图描述本说明书实施例，可以使得本说明书实施例更加清楚：图1是本专利技术提供的一种基于国产加速卡的反应堆中子输运计算的加速方法的国产加速卡调用流程图图2是本专利技术提供的一种基于国产加速卡的反应堆中子输运计算的加速方法的一个实施例的求解器转化流程图图3是本专利技术提供的一种基于国产加速卡的反应堆中子输运计算的加速方法的一个实施例的实现集群配置图具体实施方式下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细地描述。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域技术人员所理解的通常意义。本专利技术提供的反应堆中子输运计算的加速方法，使用特征线方法进行中子输运方程计算。中子运输方程的主流计算方法有确定论法和蒙特卡洛方法两种，特征线法则属于基于确定论的计算方法。特征线法从中子输运方程的微分形式出发，沿着中子飞行轨迹进行积分求解。理论上该方法适用于任何几何输运问题的求解，同时该方法在求解输运方程的过程中无需保存角中子通量和大规模系数矩阵，所以十分节省计算机内存。在特征线法研究领域中，几何处理和加速方法一直是被关注的热点。本专利技术实施例包含了中子运输方程在国产加速卡计算的求解器实现与模型描述相关代码，其中使用构造立体几何公式的方式来进行反应堆几何处理，相对于预先存储大量几何形状，这种构造表示方法可以使用最少的内存来表示广泛且复杂的反应堆几何形状。本专利技术提供的反应堆中子输运计算的加速方法，使用国产加速卡进行计算加速。本专利技术的一个实施例通过实现一个基于HIP的求解器，以满足计算过程在国产加速卡的执行，求解器利用算法的嵌套循环结构，对加速卡大规模并行化来实现MOC传输扫描的并行化。所述的HIP是一种基于CPP的GPU调用接口，由于国产加速卡的调用类似于GPU，所以在一个实施例中，基于HIP实现所述的求解器。上述过程的具体步骤为：用于I/O和射线跟踪的运算保持在CPU执行，在射线跟踪之后，所有的轨迹、片段和FSRs都被转换成相应HIP结构的数组，并复制到加速卡的内存中，在加速卡计算完成之后，将FSRs复制回CPU，使用CPU求解器生成相关输出以及数据可视化相关文件。射线追踪即追踪特征性轨迹，这个过程会获取轨迹片段和FSRs轨迹片段和FSR是本轮计算产生的结果，会交由下一轮计算迭代更新。在传输扫描期间，每个加速卡线程在更新每个段的FSR标量通量的同时，集成了贯穿整个几何图形的一个轨道能量组的通量。能量组的循环在加速卡线程之间展开，以提供足够的并行并发性，使所有加速核心保持忙碌，并减少线程翘曲发散。为了在国产加速卡上获得良好的性能，求解器广泛使用了复杂的内存层次结构。特别是，求解器为方程求解迭代计算中，频繁更新的值(如FSR源和标量通量)使用快速共享内存，为固定值(如循环终止条件)使用可缓存的常量内存。本专利技术提供的反应堆中子输运计算的加速方法，所述的求解器使用MPI+OpenMP框架实现多个CPU以及加速卡的并行计算作业。OpenMP是一种编译性并行计算框架，在一个实施例中，用以实现一个CPU内的并行计算。MPI是一种并行运算接口，在另一个实施例中，用以实现多个CPU的并行计算。在另一个实施例中，MPI+OpenMP的架构本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种反应堆中子输运计算的加速方法，包括如下步骤：/n获得核反应堆中子输运方程；获得所述核反应堆中子输运方程的求解方法；/n根据所述求解方法对核反应堆中子输运方程建立求解器，所述求解器的对于求解过程在CPU和国产加速卡的分配如下，在CPU中进行I/O和所述中子输运方程中射线跟踪计算，然后将所述中子输运方程计算中所有的轨迹、片段和FSRs转换成相应结构的数组，并复制到所述国产加速卡的内存中，由所述国产加速卡进行计算，待所述国产加速卡中的计算完成后，将FSRs复制回CPU，由CPU生成输出计算结果、以及数据可视化文件。/n
【技术特征摘要】
1.一种反应堆中子输运计算的加速方法，包括如下步骤：
获得核反应堆中子输运方程；获得所述核反应堆中子输运方程的求解方法；
根据所述求解方法对核反应堆中子输运方程建立求解器，所述求解器的对于求解过程在CPU和国产加速卡的分配如下，在CPU中进行I/O和所述中子输运方程中射线跟踪计算，然后将所述中子输运方程计算中所有的轨迹、片段和FSRs转换成相应结构的数组，并复制到所述国产加速卡的内存中，由所述国产加速卡进行计算，待所述国产加速卡中的计算完成后，将FSRs复制回CPU，由CPU生成输出计算结果、以及数据可视化文件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述核反应堆中子输运方程的求解方法为特征线法，所述特征线法对所述中子输运方程的微分形式进行积分求解，所述积分求解沿所述中子输运方程中中子飞行轨迹线进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特征线法，基于开源OpenMOC计算平台。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：张博尧，单浩栋，冯仰德，胡赟，李顺德，徐李，王珏，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，中国科学院计算机网络信息中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
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