專利名稱：一種面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種并行計(jì)算系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的主流方式是大規(guī)模并行處理(MPP)，由于這樣的并行計(jì)算系統(tǒng)耗資巨大，如何充分利用并行計(jì)算系統(tǒng)中的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
傳統(tǒng)的并行計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常是兩種思路。一種是設(shè)計(jì)通用的并行計(jì)算系統(tǒng)，讓系統(tǒng)能適應(yīng)許多不同的算法和應(yīng)用問(wèn)題，即依靠通用性來(lái)保證業(yè)務(wù)量的飽滿。為此，原則上應(yīng)實(shí)現(xiàn)全局性的快速數(shù)據(jù)交換，包括處理器與存儲(chǔ)器之間以及處理器之間直接或間接的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于通用的并行計(jì)算系統(tǒng)，當(dāng)處理器數(shù)量增加時(shí)，通訊方面的硬件開(kāi)銷必然非線性地增加，而系統(tǒng)的實(shí)際速度卻無(wú)法達(dá)到線性的增長(zhǎng)，從而造成了提高機(jī)器性能的主要瓶頸。系統(tǒng)的規(guī)模由于受到元器件的集成度在技術(shù)上的嚴(yán)重制約而存在一個(gè)極限。目前即使對(duì)單處理器的微型計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，處理器和存儲(chǔ)器之間的速度差距拉大也使它運(yùn)行許多計(jì)算程序的實(shí)際效率只有峰值的10％左右，而對(duì)MPP系統(tǒng)常常更降低到只有1～2％。很明顯的，通用并行計(jì)算系統(tǒng)由于要適應(yīng)許多不同的算法和應(yīng)用問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)某一種或者某一類算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此其運(yùn)行中不可避免地會(huì)造成一些計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)。
另一種思路是提供專用的并行計(jì)算系統(tǒng)，即針對(duì)特定算法和問(wèn)題設(shè)計(jì)專用系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源根據(jù)特定的算法承擔(dān)特定的功能，由于設(shè)計(jì)的專用性，這樣的并行計(jì)算系統(tǒng)可以充分利用其計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。但是專用并行計(jì)算系統(tǒng)只能針對(duì)特定算法和問(wèn)題運(yùn)行，因此其應(yīng)用面狹窄，業(yè)務(wù)量小，也確實(shí)無(wú)法成批生產(chǎn)和充分利用，經(jīng)濟(jì)性很差，所以也沒(méi)有得到重點(diǎn)發(fā)展。
本發(fā)明的動(dòng)機(jī)就在于尋找介于通用和專用設(shè)計(jì)之間的第三條道路。希望找到一種能夠涵蓋盡可能多的數(shù)學(xué)物理模型的算法框架，并根據(jù)該算法的特性設(shè)計(jì)并行計(jì)算系統(tǒng)。根據(jù)這種思路設(shè)計(jì)出的并行計(jì)算系統(tǒng)既根據(jù)所選定的算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)的優(yōu)化，從而具有專用的特性；而且由于所選定的算法能夠涵蓋多種數(shù)學(xué)物理模型，適用于多種具體的算法，從而具有通用的特性。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，所謂“粒子方法”就是適于前述設(shè)計(jì)思路的一種算法框架。這樣，本申請(qǐng)即是為“粒子方法”提供一種并行計(jì)算系統(tǒng)。下文則對(duì)本申請(qǐng)所涉及“粒子方法”進(jìn)行描述。
“粒子方法”是對(duì)這樣一類模擬方法特定的統(tǒng)稱它們將模擬系統(tǒng)離散為大量相互作用的粒子，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算描述每個(gè)粒子的行為，從而直接或通過(guò)統(tǒng)計(jì)與組合復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的行為。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種具體的粒子方法和大量相應(yīng)的實(shí)例模擬，但學(xué)術(shù)界對(duì)這些方法的統(tǒng)稱還缺乏共識(shí)。為此先對(duì)粒子方法的特征和涵蓋的范圍作更具體的表述。
實(shí)際上，有幾種典型的粒子方法已廣為人知，并且是非常直觀的。如分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics，MD)方法通過(guò)將原子、原子團(tuán)或分子簡(jiǎn)化為通過(guò)有勢(shì)力和剛性約束等方式相互作用的質(zhì)點(diǎn)來(lái)描述分子、分子團(tuán)以至材料的微觀行為，目前已廣泛應(yīng)用于化學(xué)制劑的合成，生物大分子和新材料的研究、設(shè)計(jì)與制備，對(duì)生命本質(zhì)的探索等領(lǐng)域。而在廣義上，像中子擴(kuò)散等對(duì)核輻射的模擬也歸入分子動(dòng)力學(xué)方法中。
而對(duì)象沙石、谷物、各種粉末等固體顆粒物，模擬它們的集體運(yùn)動(dòng)最直觀的方法就是計(jì)算其中自然存在的每個(gè)離散顆粒間的相互作用力(如相互接觸產(chǎn)生的壓力和摩擦力，以及非接觸時(shí)也能存在的靜電力等)，并進(jìn)而計(jì)算它們各自的軌跡，這被成為離散單元法(distinct element method，DEM)。目前也在工業(yè)過(guò)程、農(nóng)業(yè)工程和地質(zhì)、水文等方面廣泛應(yīng)用。
而在更大的尺度上，我們也不難發(fā)現(xiàn)，從星球、星系，到星系團(tuán)甚至整個(gè)宇宙，世界的離散的特性也是非常明顯的，后者都可視為組成前者的粒子。而事實(shí)上，天體動(dòng)力學(xué)模擬的一種主流手段就是通過(guò)計(jì)算這些巨大“粒子”間的萬(wàn)有引力來(lái)跟蹤它們的軌跡和集體的行為。這種方法為探索宇宙的形成與演化及未來(lái)的航天領(lǐng)域提供了有力手段。
粒子方法也不局限于直觀上能處理為粒子集合的系統(tǒng)。近年來(lái)，對(duì)于流體的流動(dòng)和材料的變形等傳統(tǒng)上采用連續(xù)介質(zhì)方法模擬的行為，通過(guò)構(gòu)造粗粒化的或者簡(jiǎn)化的模型粒子也提出了很多粒子方法。如介觀的耗散粒子動(dòng)力學(xué)(dissipative particledynamics，DPD)方法和格子波爾茲曼(Lattice Boltzmann，LB)方法，以及宏觀的光滑粒子動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法等。從物理背景上說(shuō)，這些模型粒子大致可以被理解為一大團(tuán)分子或一個(gè)物質(zhì)微元的拉格朗日(Lagrange)表達(dá)。這些采用模型粒子突破了計(jì)算量隨系統(tǒng)自然含有的粒子數(shù)量必然增大的問(wèn)題(這是采用連續(xù)介質(zhì)方法的重要理由)，并且特別適合處理復(fù)雜邊界、多相介質(zhì)和大變形等對(duì)連續(xù)介質(zhì)方法具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，目前已在艦船、飛行器和車輛的設(shè)計(jì)，核武器與反應(yīng)堆的研究與設(shè)計(jì)，能源、化工、水利、地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)，氣象和海洋預(yù)報(bào)等廣泛的領(lǐng)域中獲得大量應(yīng)用。
值得指出的是，任何連續(xù)介質(zhì)模型除非解析求解，最終也都要按一定的離散格式數(shù)值求解的。而很多離散格式，主要是顯格式，也可以理解為某種特殊的靜止粒子系統(tǒng)，而這些特殊粒子間的作用粒子方法所具有的特性，因此它們也屬于本申請(qǐng)的并行計(jì)算系統(tǒng)適用的范圍。它具體包括了很多所謂無(wú)網(wǎng)格方法(Meshless Methods)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network)算法，和很多信號(hào)與圖像處理算法。
在Annual Review of Fluid Mechanics Vol.37457，2005等文獻(xiàn)中還可以找到對(duì)更多粒子方法的介紹。
粒子方法雖然種類繁多，應(yīng)用廣泛，但在算法上卻有很突出的共性。本申請(qǐng)的并行計(jì)算系統(tǒng)考慮了它們?nèi)缦碌墓餐匦允紫?，無(wú)論是自然存在的粒子還是人為構(gòu)造的模型粒子，它們之間的作用強(qiáng)度普遍隨距離的增長(zhǎng)而迅速降低。物理粒子間的作用本質(zhì)上無(wú)非是四種基本力造成的(實(shí)為三種或更少)，其中引力和電磁力的強(qiáng)度與質(zhì)點(diǎn)間距離平方成反比，而強(qiáng)和弱相互作用的衰減更快，因此一般可忽略相距足夠遠(yuǎn)的粒子間的作用，或者通過(guò)估計(jì)大量粒子的合力來(lái)代替每對(duì)粒子間的受力計(jì)算。這就導(dǎo)致了局部性，即盡管整個(gè)系統(tǒng)可擁有任意多個(gè)粒子，但直接決定任一粒子瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的粒子卻主要是很少量的鄰近粒子。
同時(shí)，一對(duì)粒子間的作用函數(shù)一般可通過(guò)常微分方程描述，而一個(gè)粒子同時(shí)受到的各對(duì)作用是可迭加的。也就是說(shuō)，我們可以按任意順序分別獨(dú)立處理每對(duì)粒子間的作用，通過(guò)簡(jiǎn)單的相加之和得到粒子的合力。雖然在對(duì)硬球粒子或由多個(gè)粒子通過(guò)一些約束組成的復(fù)合粒子(如鏈狀的高分子)的具體處理上并非那么簡(jiǎn)單，但在稍大的尺度上，如對(duì)復(fù)合粒子的整體，其算法總體上依然具有此性質(zhì)。
另外，在相當(dāng)于或大大于粒子間作用特征時(shí)空尺度的范圍內(nèi)，粒子系統(tǒng)常接近均勻狀態(tài)，而在介于兩者之間的時(shí)空尺度上系統(tǒng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均勻性，并且是動(dòng)態(tài)變化的。這是物理世界的結(jié)構(gòu)層次性在模型中的自然表現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)；該并行計(jì)算系統(tǒng)既是根據(jù)粒子方法的特性而專門設(shè)計(jì)，又由于粒子方法本身能夠涵蓋很多的數(shù)學(xué)物理模型而使得該并行計(jì)算系統(tǒng)可適用于多種具體的算法和應(yīng)用問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，包括多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)所述多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列，所述多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列；所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列交錯(cuò)布置，并共同形成周期性分布的陣列；每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由該多個(gè)鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)該多個(gè)鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)為可按多指令多數(shù)據(jù)方式運(yùn)行的處理器或計(jì)算機(jī)。
上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為D維周期性分布陣列，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，所述D表示1、2、3或更高值。
上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)均位于計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心；每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與六個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與三個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接。
上述技術(shù)方案中，所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角；計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)均位于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心；每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與六個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與三個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接。
上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間還通過(guò)一個(gè)或若干個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)連接，以便沒(méi)有共享存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換信息。
所述通訊網(wǎng)絡(luò)為樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，所述樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)包括多級(jí)交換機(jī)系統(tǒng)以及一個(gè)總控節(jié)點(diǎn)，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)分別連接至多個(gè)交換機(jī)，該多個(gè)交換機(jī)連接至上一級(jí)交換機(jī)，以此類推直至連接至總控節(jié)點(diǎn)。
所述樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)并行計(jì)算系統(tǒng)中可有多個(gè)，多個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)排列，共享同一總控節(jié)點(diǎn)。
上述技術(shù)方案中，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)和所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在物理上總體排布成多層圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)的徑向截面為多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)；在所述多層圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)的不同徑向方向上，每一層的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)均交錯(cuò)分布；在所述多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)的不同徑向方向上，每一層的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)分布。
每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)上都連接有多路復(fù)用器，以此實(shí)現(xiàn)所述各種計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的物理連接，通過(guò)對(duì)多路復(fù)用器的設(shè)置，一種計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的物理排布可形成不同維數(shù)和形狀的邏輯陣列本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)面向粒子方法的設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域、可以獲得很高的軟件執(zhí)行效率，并同時(shí)具有突出的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，極大地降低了大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
2)利用粒子方法的特點(diǎn)，按周期性陣列交錯(cuò)排布計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間只需提供局部分時(shí)共享，從而避免了采用昂貴的多端口存儲(chǔ)器和復(fù)雜的訪問(wèn)沖突解決機(jī)構(gòu)，而只需采用技術(shù)簡(jiǎn)單、廉價(jià)而可靠的多路復(fù)用器，顯著降低了大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)的制造、運(yùn)行和維護(hù)成本。
3)用于采用局部共享存儲(chǔ)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的通訊隱含在正常的存儲(chǔ)訪問(wèn)中，避免了消息傳遞方式中顯式的通訊時(shí)間。同時(shí)在這種方式下，只有當(dāng)一個(gè)處理器參與計(jì)算的各個(gè)計(jì)算區(qū)域都被處理完成時(shí)才可能出現(xiàn)等待，這樣可以基本沒(méi)有額外的開(kāi)銷地消除小尺度的負(fù)載不平衡性，并能通過(guò)異地讀寫操作轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，平緩地實(shí)現(xiàn)全局負(fù)載平衡，從而顯著提高并行計(jì)算的效率。
4)通過(guò)多級(jí)樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)逐層連接，提供了任意節(jié)點(diǎn)間遠(yuǎn)程通訊的捷徑，為計(jì)算量較小的長(zhǎng)程作用和全局操作提供了方便，同時(shí)采用交錯(cuò)布置的多個(gè)樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)還能避免在少數(shù)節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的路徑過(guò)長(zhǎng)。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了系統(tǒng)的適用范圍和易用性。


圖1(a)本發(fā)明的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為一維周期性分布陣列的示意圖；圖1(b)本發(fā)明的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為二維周期性分布陣列的示意圖；圖1(c)本發(fā)明的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為二維周期性分布陣列的示意圖；圖2本發(fā)明的計(jì)算節(jié)點(diǎn)邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列的示意圖；
圖3(a)為本發(fā)明的對(duì)粒子系統(tǒng)的計(jì)算區(qū)域的劃分；圖3(b)為本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中的共享存儲(chǔ)器與計(jì)算區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系；圖4(a)為本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)邏輯二維排布時(shí)單個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖4(b)為本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)邏輯一維排布時(shí)多個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖5(a)為本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)的物理排布示意圖；圖5(b)為本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)物理排布的截面圖；圖6(a)為本發(fā)明的邏輯二維的并行計(jì)算系統(tǒng)中計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配順序示意圖；圖6(b)為本發(fā)明的多路復(fù)用器的連接示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
在本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成周期性分布的陣列，并且計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列交錯(cuò)布置，并共同形成周期性分布的陣列。圖1和圖2示出了在一些實(shí)施例中計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的周期性邏輯排布以及連接關(guān)系，其中，黑色圓形點(diǎn)表示計(jì)算節(jié)點(diǎn)，黑色矩形點(diǎn)表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，為了圖示的方便，圖1和圖2僅是示例性的示出了部分計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可在圖1和圖2的基礎(chǔ)上做周期性擴(kuò)展。
在圖1中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為D維周期性分布陣列(D＝1、2或3或更高維)，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接。具體地，如圖1(a)所示，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成一維線性周期性分布的陣列，并且計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置。這樣，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這兩個(gè)相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由這兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；而每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這兩個(gè)相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，處理這兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。
如圖1(b)所示，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成二維矩形周期性分布的陣列，每四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于矩形周期單元的四個(gè)頂角。計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)均位于計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的矩形周期單元(圖2(a)中的虛框所示)的中心。這樣，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這四個(gè)相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由這四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；而每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與四個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這四個(gè)相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，處理這四個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。這通過(guò)對(duì)圖1(b)做二維周期性擴(kuò)展后是很容易看出的。
如圖1(c)所示，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成三維立方體周期性分布的陣列，每八個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于立方體周期單元的八個(gè)頂角。計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)均位于計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的立方體周期單元的中心。這樣，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與八個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這八個(gè)相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由這八個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；而每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與八個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這八個(gè)相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，處理這八個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。這通過(guò)對(duì)圖1(c)做三維周期性擴(kuò)展后是很容易看出的。
在圖2中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角。計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)均位于計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心，很明顯的，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也呈現(xiàn)周期性排布。這樣，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與六個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這六個(gè)相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由這六個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；而每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與三個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰，并與這三個(gè)相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，處理這三個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。這通過(guò)對(duì)圖2做二維周期性擴(kuò)展后是很容易看出的。同樣的，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)邏輯上也可以排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)均位于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心，使得計(jì)算節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)周期性排布。
在本發(fā)明中，之所以將計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成周期性分布的陣列，并且計(jì)算節(jié)點(diǎn)/存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)只與其周圍鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)/計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，是因?yàn)橄喈?dāng)于或大大于粒子間作用特征時(shí)空尺度的范圍內(nèi)，粒子系統(tǒng)常接近均勻狀態(tài)在粒子方法中通常是以空間區(qū)域分解方式進(jìn)行計(jì)算的。在本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中，粒子系統(tǒng)的空間區(qū)域分解方式與并行計(jì)算系統(tǒng)中計(jì)算節(jié)點(diǎn)和服務(wù)節(jié)點(diǎn)邏輯上的周期性分布相關(guān)。以粒子系統(tǒng)二維劃分為例，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上分別排列成二維矩形周期性分布的陣列與粒子系統(tǒng)中二維劃分的計(jì)算區(qū)域存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。每個(gè)共享存儲(chǔ)器(可視為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn))都對(duì)應(yīng)一定的計(jì)算區(qū)域，一個(gè)共享存儲(chǔ)器的計(jì)算任務(wù)由共享該存儲(chǔ)器的2D個(gè)(在二維劃分的粒子系統(tǒng)中，D的取值為2)處理器(可視為計(jì)算節(jié)點(diǎn))交替處理、共同完成。如圖3所示，一個(gè)粒子系統(tǒng)劃分為16個(gè)計(jì)算區(qū)域，對(duì)每個(gè)計(jì)算區(qū)域以(m，n)的形式編號(hào)，其中m代表行數(shù)，n代表列數(shù)。一個(gè)計(jì)算區(qū)域?qū)?yīng)并行計(jì)算系統(tǒng)中的一個(gè)共享存儲(chǔ)器，所對(duì)應(yīng)的共享存儲(chǔ)器與計(jì)算區(qū)域有相同的編號(hào)。例如，計(jì)算區(qū)域(1，1)對(duì)應(yīng)共享存儲(chǔ)器(1，1)，計(jì)算區(qū)域(4，4)對(duì)應(yīng)共享存儲(chǔ)器(4，4)，其他的計(jì)算區(qū)域與共享存儲(chǔ)器之間有類似的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一個(gè)共享存儲(chǔ)器的計(jì)算任務(wù)由它周圍的4個(gè)處理器來(lái)完成，對(duì)處理器也有與共享存儲(chǔ)器相類似的編號(hào)。如共享存儲(chǔ)器(1，1)中的計(jì)算任務(wù)由處理器(0，0)、處理器(0，1)、處理器(1，0)和處理器(1，1)共同完成，共享存儲(chǔ)器(1，2)中的計(jì)算任務(wù)由處理器(0，1)、處理器(0，2)、處理器(1，1)和處理器(1，2)共同完成。由上述實(shí)例可以看出，一個(gè)處理器可以用在不同的計(jì)算區(qū)域中，為不同的共享存儲(chǔ)器所用。圖3是對(duì)粒子系統(tǒng)的二維劃分的情況，對(duì)粒子系統(tǒng)一維劃分和三維劃分的情況與之相類似。
根據(jù)粒子系統(tǒng)的局部性，一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)主要由其鄰近的粒子決定，因此本發(fā)明的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)只與周圍的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)直接相連，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也只與周圍的計(jì)算節(jié)點(diǎn)直接相連。但在本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列中沒(méi)有共享存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)間也可能需要交換少量的信息，因此計(jì)算節(jié)點(diǎn)間通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)連接。如圖4(a)所示，為一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，粒子系統(tǒng)二維劃分，一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰并連接，一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)也與四個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰并連接。計(jì)算節(jié)點(diǎn)邏輯上排列成二維矩形周期性分布的陣列，每四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于矩形周期單元的四個(gè)頂角，將一個(gè)矩形周期單元中的四個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)交換機(jī)，對(duì)其他矩形周期單元中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)做同樣的操作，形成一個(gè)交換機(jī)的矩形周期性分布陣列，然后將一個(gè)矩形周期單元中的四個(gè)交換機(jī)連接到上一級(jí)的交換機(jī)，以次類推，直至連接到一總控節(jié)點(diǎn)。這種通訊網(wǎng)絡(luò)可以稱之為樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)中的任意兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間都可以交換信息。每一級(jí)交換機(jī)連接的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在不同的實(shí)施例中可以不同。
在一個(gè)并行計(jì)算系統(tǒng)中，一個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)間信息的交換，但一個(gè)并行計(jì)算系統(tǒng)中如果只有一個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)存在一些弊端，如兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰，但在樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)中可能要經(jīng)過(guò)多個(gè)交換機(jī)的交換才能實(shí)現(xiàn)信息的交換。因此，在另一個(gè)實(shí)施例中，并行計(jì)算系統(tǒng)采用多個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)。在所述的多個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)在并行計(jì)算系統(tǒng)中交錯(cuò)排列。所有的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)總控節(jié)點(diǎn)。對(duì)并行計(jì)算系統(tǒng)中的某一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，它存在于不同的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)中，因此該計(jì)算節(jié)點(diǎn)與并行計(jì)算系統(tǒng)的其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)間有不同的通路，當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與并行計(jì)算系統(tǒng)中其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換時(shí)，選擇路徑最短的通路進(jìn)行信息交換。如圖4(b)所示，該圖中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以邏輯一維的方式周期性排布，其中圓形代表計(jì)算節(jié)點(diǎn)，矩形代表存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，圖中只表示了其中一段計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的分布。取其中的兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)識(shí)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)i和計(jì)算節(jié)點(diǎn)j。在該并行計(jì)算系統(tǒng)中有兩個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，在圖中出現(xiàn)了這兩個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)與圖中表示的計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的局部。這兩個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)整體上有共同的總控節(jié)點(diǎn)，在圖中未標(biāo)識(shí)總控節(jié)點(diǎn)。對(duì)圖中的兩個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)做標(biāo)識(shí)，分別為樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)k和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)h。從圖中可以看出，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i和計(jì)算節(jié)點(diǎn)j都在樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)k和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)h中。當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i和計(jì)算節(jié)點(diǎn)j間要進(jìn)行信息交換，可以通過(guò)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)k和樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)h實(shí)現(xiàn)。如果通過(guò)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)k進(jìn)行信息交換，只要通過(guò)上一級(jí)交換機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，如果通過(guò)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)h進(jìn)行信息交換，至少要通過(guò)三級(jí)的交換機(jī)，路徑較為復(fù)雜。因此，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i和計(jì)算節(jié)點(diǎn)j的信息交換會(huì)選用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)k。
以上描述說(shuō)明了本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)的邏輯排布，下面對(duì)本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)的物理排布進(jìn)行說(shuō)明。所述并行計(jì)算系統(tǒng)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)呈多層圓環(huán)胎狀排列，其徑向截面為多層同心圓環(huán)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)在該多層圓環(huán)上圍繞圓心對(duì)稱并呈等角度放射狀排布，同一層上相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)間有一定的間隔，同時(shí)相鄰各層圓環(huán)上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)也有間隔但徑向位置相同。所述多層同心圓環(huán)截面上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)在圓環(huán)胎的周向按等角度重復(fù)排列。并行計(jì)算系統(tǒng)中的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也呈多層圓環(huán)胎狀排列，其徑向截面為多層同心圓環(huán)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在該多層圓環(huán)上圍繞圓心對(duì)稱并呈等角度放射狀排布，同一層上相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間有一定的間隔，同時(shí)相鄰各層圓環(huán)上的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也有間隔但徑向位置相同。所述多層同心圓環(huán)截面上的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在圓環(huán)胎的周向按等角度重復(fù)排列。各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)形成的多層圓環(huán)胎與各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)形成的多層圓環(huán)胎同心，并逐層交錯(cuò)嵌套。雖然計(jì)算節(jié)點(diǎn)的圓環(huán)截面與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的圓環(huán)截面總體上相鄰，但對(duì)于其中的每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，它并不與相鄰的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)直接相連，而是處于相鄰的8個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(4個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與該計(jì)算節(jié)點(diǎn)左相鄰，4個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與該計(jì)算節(jié)點(diǎn)右相鄰)為頂點(diǎn)所組成的近似長(zhǎng)方體的中心位置。如圖5(a)所示，圖中的黑點(diǎn)代表計(jì)算節(jié)點(diǎn)，白點(diǎn)代表存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。對(duì)圖5(a)的多層圓環(huán)胎做截面，得到圓環(huán)截面A-A。圖5(b)，為截面A-A的剖視圖。在該剖視圖中，白點(diǎn)(存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn))在相互嵌套的多層圓環(huán)胎的同一徑向截面的平面上，黑點(diǎn)(計(jì)算節(jié)點(diǎn))在該多層圓環(huán)胎的另一不同徑向截面的平面上。如果白點(diǎn)所在平面就是截面A-A，則黑點(diǎn)所在平面是圖5(a)的多層圓環(huán)胎對(duì)截面A-A沿周向旋轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度得到的。由于該角度很小，且白點(diǎn)之間有間隔，因此在截面A-A上可直接見(jiàn)到黑點(diǎn)。黑點(diǎn)處于周圍的四個(gè)白點(diǎn)的中間位置，同樣的，白點(diǎn)也處于周圍的四個(gè)黑點(diǎn)的中間位置。
本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)最適合三維的物理排布，而本發(fā)明的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為D維周期性分布陣列(D＝1、2或3)，在本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中包含有多路復(fù)用器，利用多路復(fù)用器可將三維物理排布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)配置為邏輯一維的并行計(jì)算系統(tǒng)或邏輯二維的并行計(jì)算系統(tǒng)或邏輯三維的并行計(jì)算系統(tǒng)。每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器唯一的輸入端與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連，多路復(fù)用器還有2D個(gè)輸出端，這些輸出端與所述的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰的2D個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的多路復(fù)用器的輸出端相連。當(dāng)并行計(jì)算系統(tǒng)呈三維物理排布時(shí)，D等于3。對(duì)于每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，它對(duì)多路復(fù)用器的使用也同樣如此。當(dāng)多路復(fù)用器的所有輸出端正常工作時(shí)，三維物理排布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)即可形成邏輯三維的并行計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)多路復(fù)用器進(jìn)行編程，可將各個(gè)多路復(fù)用器的若干個(gè)輸出端截?cái)?，生成邏輯一維的并行計(jì)算系統(tǒng)或邏輯二維的并行計(jì)算系統(tǒng)。如圖6(b)所示，該圖描述了一個(gè)二維物理排布的并行計(jì)算系統(tǒng)。圖中，共享存儲(chǔ)器(1，1)與多路復(fù)用器1的輸入端連接，多路復(fù)用器1有四個(gè)輸出端，它的四個(gè)輸出端分別與多路復(fù)用器2、多路復(fù)用器3、多路復(fù)用器4、多路復(fù)用器5的一個(gè)輸出端相連，而多路復(fù)用器2的輸入端與處理器(0，0)相連，多路復(fù)用器3的輸入端與處理器(0，1)相連，多路復(fù)用器4的輸入端與處理器(1，0)相連，多路復(fù)用器5的輸入端與處理器(1，1)相連。通過(guò)對(duì)多路復(fù)用器的操作，圖中的二維物理排布的并行計(jì)算系統(tǒng)可形成邏輯一維的并行計(jì)算系統(tǒng)和邏輯二維的并行計(jì)算系統(tǒng)。
多路復(fù)用器不僅用于并行計(jì)算系統(tǒng)中計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的邏輯連接，也可用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)使用順序以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用順序的控制。在本發(fā)明的并行計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰并連接，由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；而每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰并連接，對(duì)這多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于計(jì)算節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此計(jì)算節(jié)點(diǎn)要處理直接相連的各存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)時(shí)，有一個(gè)分配順序的問(wèn)題。不失一般性，作為實(shí)施例，可規(guī)定計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分配順序?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，該分配順序通過(guò)多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的多路復(fù)用器(該多路復(fù)用器的輸入端與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連)按照逆時(shí)針?lè)较蛞来吻袚Q它的輸出端，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的使用。如圖6(b)中的共享存儲(chǔ)器(1，1)，它通過(guò)多路復(fù)用器1輸出端的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍的處理器(0，0)、處理器(0，1)、處理器(1，1)和處理器(1，0)的依次使用。同樣的，計(jì)算節(jié)點(diǎn)可為與其相鄰的多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供計(jì)算服務(wù)，在特定時(shí)間內(nèi)為哪個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供計(jì)算服務(wù)也有一個(gè)順序，規(guī)定該順序?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，它的?shí)現(xiàn)也是通過(guò)多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)的。圖6(a)是對(duì)邏輯二維的并行計(jì)算系統(tǒng)中計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配順序的表示，在邏輯三維的并行計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配順序也通過(guò)多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，包括多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列，所述多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列；所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列交錯(cuò)布置，并共同形成周期性分布的陣列；每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由該多個(gè)鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)該多個(gè)鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)為可按多指令多數(shù)據(jù)方式運(yùn)行的處理器或計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列和所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上為D維周期性分布陣列，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與2D個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，所述D表示1、2、3或更高值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)均位于計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心；每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與六個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與三個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列在邏輯上排列成二維六邊形周期性分布的陣列，每六個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)位于六邊形周期單元的六個(gè)頂角；計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)布置，使得每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)均位于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列的六邊形周期單元的中心；每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與六個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與三個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間還通過(guò)一個(gè)或若干個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)連接，以便沒(méi)有共享存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述通訊網(wǎng)絡(luò)為樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，所述樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)包括多級(jí)交換機(jī)系統(tǒng)以及一個(gè)總控節(jié)點(diǎn)，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)分別連接至多個(gè)交換機(jī)，該多個(gè)交換機(jī)連接至上一級(jí)交換機(jī)，以此類推直至連接至總控節(jié)點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)并行計(jì)算系統(tǒng)中可有多個(gè)，多個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)排列，共享同一總控節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)和所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在物理上總體排布成多層圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)的徑向截面為多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)；在所述多層圓環(huán)胎結(jié)構(gòu)的不同徑向方向上，每一層的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)均交錯(cuò)分布；在所述多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)的不同徑向方向上，每一層的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)上都連接有多路復(fù)用器，以此實(shí)現(xiàn)所述各種計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的物理連接，通過(guò)對(duì)多路復(fù)用器的設(shè)置，一種計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的物理排布可形成不同維數(shù)和形狀的邏輯陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種面向粒子方法的并行計(jì)算系統(tǒng)，包括多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，所述多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列，所述多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在邏輯上排列成周期性分布的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列；所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)陣列與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)陣列交錯(cuò)布置，并共同形成周期性分布的陣列；每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接，由該多個(gè)鄰近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享；每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)與其鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)該多個(gè)鄰近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于面向粒子方法的設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域、可以獲得很高的軟件執(zhí)行效率，并同時(shí)具有突出的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，極大地降低了大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
文檔編號(hào)G06F15/173GK1851683SQ200510064799
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者葛蔚, 李靜海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所