基于gpu的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明示例性實(shí)施例總體上涉及材料全局物態(tài)方程仿真模擬領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于圖形處理單元(GPU)的材料全局物態(tài)方程參數(shù)的生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物態(tài)方程是平衡態(tài)系統(tǒng)的溫度、密度和物態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)系式，描述了在給定物理?xiàng)l件下物質(zhì)的物態(tài)。因而，物態(tài)方程對(duì)于描述固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等各態(tài)物質(zhì)非常重要，它也是求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方程組不可缺少的一部分。
[0003]物態(tài)方程參數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的手段獲得。對(duì)于大范圍的物態(tài)方程參數(shù)由于苛刻的條件是無(wú)法實(shí)驗(yàn)獲得的，只能通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到。目前成熟的獲得大范圍物態(tài)參數(shù)的數(shù)值方法是基于QEOS(Quotidian Equat1n Of State)模型(參見，例如MORE R，WARREN K，YOUNG D，et al.A new quotidian equat1n of state(QE0 S)for hotdense matter [J].Physics of Fluids，1988，31 (3059))。該模型將物態(tài)方程分成了三部分:電子、離子以及電子成鍵。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得任意物理?xiàng)l件下的物態(tài)參數(shù)，而且相對(duì)比較準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是對(duì)于電子部分，由于需要求解Thomas-Fermi方程，需要耗費(fèi)比較多的機(jī)時(shí)，尤其是當(dāng)材料組分復(fù)雜的時(shí)候，求解Thomas-Fermi方程組將耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí)。而目前求解Thomas-Fermi方程組的實(shí)現(xiàn)以CPU為主，由于CPU計(jì)算能力不足直接影響到其計(jì)算效率，因此在可以接受的機(jī)時(shí)內(nèi)只能計(jì)算很小的空間尺寸和時(shí)間尺寸；或者為了提高計(jì)算量可以建設(shè)大規(guī)模甚至超大規(guī)模的CPU計(jì)算機(jī)集群，但這樣又會(huì)出現(xiàn)耗電量過(guò)大、使用和維護(hù)成本極高等問(wèn)題，不利于快速有效的進(jìn)行物態(tài)方程的模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明示例性實(shí)施例提出了一種基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法，通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)GPU上并行計(jì)算材料的各物態(tài)點(diǎn)各組分的物態(tài)量來(lái)得到全局物態(tài)參數(shù)。該方法包括以下步驟:
[0005]a、根據(jù)材料的物態(tài)點(diǎn)和組分，在至少一個(gè)GPU中分配多個(gè)線程，每個(gè)線程處理一個(gè)物態(tài)點(diǎn)下一種組分的Thomas-Fermi方程；
[0006]b、判斷每個(gè)方程的處理結(jié)果是否滿足邊界條件，如果不滿足，調(diào)整相應(yīng)組分的原子半徑，并返回步驟a進(jìn)行迭代處理，直至滿足邊界條件；如果滿足邊界條件，計(jì)算每個(gè)物態(tài)點(diǎn)下每種組分的電離率；
[0007]C、根據(jù)材料的物態(tài)點(diǎn)數(shù)，在所述至少一個(gè)GPU中分配線程，每個(gè)線程判斷一個(gè)物態(tài)點(diǎn)下的電荷是否守恒，如果不守恒，調(diào)整化學(xué)勢(shì)，并返回a進(jìn)行迭代處理，直至電荷守恒；如果電荷守恒，計(jì)算各物態(tài)點(diǎn)的電子部分的物態(tài)量；
[0008]d、根據(jù)材料的物態(tài)點(diǎn)數(shù)，在所述至少一個(gè)GPU中分配線程，每個(gè)線程計(jì)算一個(gè)物態(tài)點(diǎn)的離子部分的物態(tài)量；
[0009]e、在固體密度下零溫和常溫的物態(tài)點(diǎn)，根據(jù)電子部分與離子部分的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算材料的化學(xué)鍵修正參數(shù)；以及
[0010]f、根據(jù)材料的物態(tài)點(diǎn)數(shù)，在所述至少一個(gè)GPU中分配線程，每個(gè)線程計(jì)算一個(gè)物態(tài)點(diǎn)下的化學(xué)鍵修正部分，并與電子部分和離子部分的物態(tài)量相加，得到總物態(tài)量。
[0011]根據(jù)示例實(shí)施例，所述至少一個(gè)GPU包括進(jìn)行并行處理的多個(gè)流處理器，每個(gè)流處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)線程。
[0012]根據(jù)示例實(shí)施例，步驟a中所分配的線程的數(shù)目等于材料的物態(tài)點(diǎn)數(shù)和組分?jǐn)?shù)之積。
[0013]根據(jù)示例實(shí)施例，步驟a中處理Thomas-Fermi方程包括:在每個(gè)線程中將初始化學(xué)勢(shì)及原子半徑作為輸入，采用二階龍格庫(kù)塔方法積分Thomas-Fermi方程，來(lái)求解零邊界處的 Thomas-Fermi 勢(shì)。
[0014]根據(jù)示例實(shí)施例，電子部分和離子部分的物態(tài)量均包括壓強(qiáng)、內(nèi)能和自由能。
[0015]根據(jù)示例實(shí)施例，步驟e中計(jì)算計(jì)算化學(xué)鍵修正參數(shù)包括:根據(jù)在常溫、密度為固態(tài)密度的物態(tài)點(diǎn)下材料體模量與總壓強(qiáng)的關(guān)系以及在零溫、密度為固態(tài)密度的物態(tài)點(diǎn)下總壓強(qiáng)為零，計(jì)算化學(xué)鍵修正部分的參數(shù)。
[0016]根據(jù)示例實(shí)施例，所述方法在步驟a之前還包括:初始化步驟，輸入材料的信息，包括材料的物態(tài)點(diǎn)和組分，并利用輸入的材料信息對(duì)GPU內(nèi)存進(jìn)行初始化。
[0017]根據(jù)示例實(shí)施例，在初始化步驟中還輸入:材料的組分比例、各組分原子序數(shù)、原子量、物態(tài)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度、密度以及材料常溫固態(tài)的體模量，所述物態(tài)點(diǎn)至少包含密度為固體密度，溫度分別為零溫和常溫的兩個(gè)物態(tài)點(diǎn)。
[0018]根據(jù)示例實(shí)施例，在初始化步驟中還利用輸入的材料信息對(duì)中央處理單元CPU內(nèi)存進(jìn)行初始化。
[0019]根據(jù)示例實(shí)施例，所述方法還包括:將總物態(tài)量和各部分的物態(tài)量返回CPU，作為材料的全局物態(tài)方程參數(shù)。
[0020]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法，充分利用GPU的超強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算能力、高帶寬及多輕量計(jì)算核心的特點(diǎn)，及GPU內(nèi)眾多可進(jìn)行并行處理的流處理器，將QEOS模型適合于GPU硬件架構(gòu)。此外，GPU和CPU充分結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，極大地提高了運(yùn)算效率。在可以接受的能耗和時(shí)間條件下，取得了非常好的計(jì)算效果，達(dá)到了提高運(yùn)算效率的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中:
[0022]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示例實(shí)施例進(jìn)行詳述。以下描述包括各種具體細(xì)節(jié)以輔助理解，但這些具體細(xì)節(jié)應(yīng)僅被示為示例性的。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在不脫離本公開范圍和精神的情況下對(duì)這里描述的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行各種改變和修改。此夕卜，為了清楚和簡(jiǎn)明起見，省略了公知功能和結(jié)構(gòu)的描述。
[0024]以下描述和權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)和詞語(yǔ)不限于其字面含義，而是僅由發(fā)明人用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的清楚一致的理解。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，對(duì)本發(fā)明各個(gè)示例實(shí)施例的以下描述僅被提供用于說(shuō)明目的，而不意在限制由所附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明。
[0025]以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例。
[0026]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的基于GPU的全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法的流程圖。該全局物態(tài)方程參數(shù)生成方法可以在一個(gè)或多個(gè)GPU上執(zhí)行，每個(gè)GPU包括多個(gè)流處理器，每個(gè)流處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，進(jìn)行并行處理，提高了運(yùn)算效率。CPU可以用于初始化和結(jié)果輸出等操作。
[0027]如圖1所示，方法100包括初始化步驟，輸入材料的信息，包括材料的物態(tài)點(diǎn)和組分，并利用輸入的材料信息對(duì)GPU內(nèi)存進(jìn)行初始化。這里，在初始化步驟中還可以輸入:材料的組分比例、各組分原子序數(shù)、原子量、物態(tài)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度、密度以及材料常溫固態(tài)的體模量，所述物態(tài)點(diǎn)必須至少包含密度為固體密度，溫度分別為零溫和常溫的兩個(gè)物態(tài)點(diǎn)?？梢岳幂斎氲牟牧闲畔?duì)CPU內(nèi)存進(jìn)行初始化。
[0028]在初始化之后，在步驟102，根據(jù)材料的物態(tài)點(diǎn)和組分，在至少一個(gè)GPU中分配多個(gè)線程，每個(gè)線程處理一個(gè)物態(tài)點(diǎn)下一種組分的Thomas-Fermi方程。具體地，將給定的材料初始化學(xué)勢(shì)及各組分原子半徑存入GPU。根據(jù)物態(tài)點(diǎn)數(shù)和組分?jǐn)?shù)之積分配GPU線程數(shù)，在每個(gè)線程中將初始化學(xué)勢(shì)及原子半徑作為輸入，采用二階龍格庫(kù)塔方法積分Thomas-Fermi方程求解零邊界處的Thomas-Fermi勢(shì)。
[0029]在步驟104，判斷每個(gè)方程的處理結(jié)果