一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法技术

本发明专利技术提供一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，属于核材料辐照模拟技术领域。所述方法包括：S1，建立加速卡任务，初始化线程数和内存结构；S2，建立CPU与加速卡数据传输量标记数组；S3，在CPU端，求解当前时间步气体团簇浓度；S4，根据求解得到的气体团簇浓度，更新标记数组；S5，依据标记数组，向加速卡传输数据；S6，加速卡执行计算任务；S7，依据标记数组，将加速卡上的计算结果传递给CPU进行下一时间步的方程组计算；S8，重复S3

【技术实现步骤摘要】
一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法


[0001]本专利技术涉及核材料辐照模拟
，特别是指一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法。

技术介绍

[0002]核能作为一种重要的清洁能源，是实现“碳中和、碳达峰”目标的重要能源资源。核燃料是核反应堆中核反应发生的核心部分，是产生核能的源，直接决定了核能的利用程度，因此目前正处于核燃料研发使用的重要发展阶段。对于核燃料的使用，保障其安全性，将是其永恒的第一要求，目前对于核燃料安全方面的研究，核燃料裂变气体是重点方面之一。由于核燃料裂变气体实验十分复杂、成本高昂，且存在无法观察的尺度问题，因此对核燃料裂变气体的行为机理还处于尚不完全明确的状态，核燃料裂变气体的实验研究处于缓慢的发展阶段。随着近年来数值模拟和高性能计算领域的快速发展，核燃料裂变气体的研究将重点研究方法逐步转移到了高精度数值模拟的方法上来。
[0003]团簇动力学(Cluster Dynamics，CD)模拟是核燃料裂变气体研究的重要数值模拟方法之一。由于团簇动力学方法计算获得的气泡尺寸和气泡数密度可以直接和实验数据相对比，因此团簇动力学在模型的设计与优化上相较其他数值模拟方法存在天然优势。但团簇动力学模拟存在计算效率上的问题。团簇动力学模拟方法依赖于一组刚性微分方程组的建立与求解，来描述核燃料裂变气体的演化过程，通常情况下方程组的方程数量超106。此外，由于裂变气体的不断扩散导致其在空间上分布不均，因此在模拟过程中还需要考虑气体的空间信息，在描述裂变气体的空间信息时，一般以网格划分的方式建立模型，又进一步的使得方程数量同网格数的增长而线性增长，这使得目前核燃料裂变气体的模拟计算过程十分缓慢，计算效率低，大部分条件下无法在有限的计算时间内达到模拟时长要求，对裂变气体的机理研究造成了阻碍。
[0004]对于存在计算效率瓶颈的数值模拟方法，异构体系架构上的加速算法设计是一种有效提升计算效率的方法。异构体系架构是芯片中既有CPU(central processing unit，中央处理器)等传统的通用计算单元，也有高性能的专用计算单元(简称：加速卡)的体系架构。与传统的通用计算芯片相比，对于计算密集型的程序可以在设计合适的异构架构算法后得到显著的计算效率提升。但对于进行异构体系架构计算的团簇动力学方法来说，由于其团簇信息不停变化，且数量庞大，计算过程中对内存的需求较大，因此需要频繁地进行异构数据交互(CPU和加速卡之间的数据传输)，使得内存带宽成为了主要的性能瓶颈，严重影响计算效率的提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，有效降低了异构数据传输的传输量及传输时间，能够显著提升整体计算效率。所述技术方案如下：
[0006]本专利技术实施例提供了一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，包括：
[0007]S1，建立加速卡任务，初始化线程数和内存结构；
[0008]S2，建立CPU与加速卡数据传输量标记数组；
[0009]S3，在CPU端，求解当前时间步气体团簇浓度；
[0010]S4，根据求解得到的气体团簇浓度，更新标记数组；
[0011]S5，依据标记数组，向加速卡传输数据；
[0012]S6，加速卡执行计算任务；
[0013]S7，依据标记数组，将加速卡上的计算结果传递给CPU进行下一时间步的方程组计算；
[0014]S8，重复S3
‑
S7，直到达到模拟时长要求。
[0015]进一步地，所述内存结构包括：团簇基本信息的数据结构、团簇信息的管理结构、网格信息的管理结构和团簇反应基本信息的数据结构。
[0016]进一步地，所述标记数组中每一行代表一个网格的数据传输量的标记值，标记值是当前时间步该网格包含的有浓度变化的最大尺寸气体团簇的尺寸值。
[0017]进一步地，所述在CPU端，求解当前时间步气体团簇浓度包括：
[0018]在CPU端，每个时间步内通过对方程形式：
[0019][0020]其中，C
i
表示尺寸为i的气体团簇浓度；D
i
表示尺寸为i的气体团簇的扩散系数；表示气体团簇扩散的径向梯度分布，表示方向向量，t表示时间；表示裂变反应产生裂变气体的源项；表示尺寸为m的气体团簇通过聚集反应演化为尺寸为i的气体团簇，N表示气体团簇的最大尺寸；表示尺寸i的气体团簇通过分解反应演化为尺寸为m的气体团簇；
[0021]建立的方程组进行求解，得到当前时间步气体团簇浓度，即：下一时间步的气体团簇浓度初值。
[0022]进一步地，所述根据求解得到的气体团簇浓度，更新标记数组包括：
[0023]在每个计算时间步内，遍历每个网格，从标记数组中的标记值开始对该网格内尺寸进行由小到大的遍历，直到遍历到浓度为0的气体团簇，将该气体团簇的尺寸作为新的标记值，存入标记数组。
[0024]进一步地，所述依据标记数组，向加速卡传输数据包括：
[0025]A1，遍历每个网格点，在标记数组上找到对应网格点的标记值；
[0026]A2，根据标记值在CPU端得到要传输数据的起止地址；
[0027]A3，将CPU端所述起止地址的数据传输至加速卡上的内存结构；
[0028]A4，重复步骤A1
‑
A3，直至遍历全部网格点。
[0029]进一步地，所述加速卡执行计算任务包括：
[0030]B1，在CPU端，使用HIP编程模型中的hipLaunchKernelGGL语句进行加速卡上计算
任务的启动，指定加速卡上使用的线程数量和计算任务所需的内存地址；
[0031]B2，加速卡各线程，计算各网格点各团簇相应的参数信息，其中，所述参数信息包括：气体扩散系数和反应速率系数；
[0032]B3，线程间同步，使得所有线程达到同一时间点和执行步骤；
[0033]B4，加速卡各线程计算各网格点各团簇下一时间步的反应速率初值；
[0034]B5，加速卡各线程计算各网格点下一时间步求解所需的方程矩阵；
[0035]B6，线程间同步，使得所有线程达到同一时间点和执行步骤。
[0036]进一步地，所述S7中的方程组，用于求解所需的反应速率、方程各项偏微分信息。
[0037]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0038]1)针对异构体系架构上团簇动力学方法的计算，设计了用于异构数据交互的数据传输量标记数组结构，并设计了标记数组的更新方法，在进行CPU与加速卡的数据传输时，能够实现数据传输量的快速定位，并在每个计算时间步实现标记数组中标记量的快速更新；
[0039]2)依据团簇动力学方法进行核燃料裂变气体模拟的特征，基于标记数组进行团簇动力学模拟异构计算的异构数据传输，有效降低了异构数据传输的传输量及传输时间，能够显著提升整体计算效率，从而解决异构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，其特征在于，包括：S1，建立加速卡任务，初始化线程数和内存结构；S2，建立CPU与加速卡数据传输量标记数组；S3，在CPU端，求解当前时间步气体团簇浓度；S4，根据求解得到的气体团簇浓度，更新标记数组；S5，依据标记数组，向加速卡传输数据；S6，加速卡执行计算任务；S7，依据标记数组，将加速卡上的计算结果传递给CPU进行下一时间步的方程组计算；S8，重复S3
‑
S7，直到达到模拟时长要求。2.根据权利要求1所述的核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，其特征在于，所述内存结构包括：团簇基本信息的数据结构、团簇信息的管理结构、网格信息的管理结构和团簇反应基本信息的数据结构。3.根据权利要求1所述的核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，其特征在于，所述标记数组中每一行代表一个网格的数据传输量的标记值，标记值是当前时间步该网格包含的有浓度变化的最大尺寸气体团簇的尺寸值。4.根据权利要求1所述的核燃料裂变气体团簇动力学模拟的异构数据传输方法，其特征在于，所述在CPU端，求解当前时间步气体团簇浓度包括：在CPU端，每个时间步内通过对方程形式：其中，C
i
表示尺寸为i的气体团簇浓度；D
i
表示尺寸为i的气体团簇的扩散系数；表示气体团簇扩散的径向梯度分布，表示方向向量，t表示时间；表示裂变反应产生裂变气体的源项；表示尺寸为m的气体团簇通过聚集反应演化为尺寸为i的气体团簇，N表示气体团簇的最大尺寸；表示尺寸i的气体团簇通过分解反应演化为尺寸为m的气体团簇；建立的方程组进行求解，得到当前时间步气体团簇浓度，即：下一时间步的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡长军，白鹤，朱雨晗，陈丹丹，任帅，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：