离子推进器粒子模拟的GPU加速研究

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人类对太空的探索欲望不断促进着航天科技的进步,这种进步扩大了人类对世界的认知范围,并且为人类的生活带来了便利。对太空的深入探索以及对其空间的利用是人类未来科技的重点发展方向之一。实现深空探索需要技术先进的推进器作为支撑,离子推进器具有寿命长、比冲高、推力调节方便等优点,且已被广泛应用于通信卫星、深空探测器等航天器上,主要作用包括航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。为了详细描述离子推进器的各项核心参数,评价和改善离子推进器的性能,科研人员越来越多地采用数值模拟方法(目前以PIC方法为主)来对离子推进器内部的物理机制进行研究。但PIC方法效率低下,而通过研究GPU高性能计算在PIC模拟中的应用,可以极大的提高PIC模拟效率。本论文建立在电子科技大学自主研发的离子推进器PIC/MCC软件BUMBLEBEE-EP基础上,对其带电粒子与电磁场互作用求解器实施并行化,同时将其应用于离子推进器的物理机制研究中。本文主要工作与创新包括:1.概述了离子推进器的研究背景、研究意义、工作原理以及主要研究方向,总结出放电室的物理机制是离子推进器的主要研究方向之一。放电室的研究主要是数值模拟手段,提出在大尺度模拟问题中采用GPU提高模拟效率;2.以已有GPU架构以及CUDA编程技术为基础,结合BUMBLEBEE-EP软件中带电粒子与电磁场互作用求解器算法特点,对该求解器各个模块实施了并行,主要包含场求解模块、运动求解模块以及电流源求解模块;3.对并行程序实施优化,主要包含内存优化(主要有常量内存、共享内存、寄存器)、线程结构优化以及原子操作优化。其中在原子操作优化中提出了一种新的归约方法用来优化电流源求解。最后给出了各个优化版本的并行加速比,分析了制约加速效率的关键问题;4.对串并行结果的一致性进行验证,给出了冷腔场误差、热腔场误差以及热腔粒子运动误差,其最大误差不超过0.2%并详细分析了误差来源,保证了并行程序的正确性;5.利用并行程序对离子推进器中的电子磁约束问题进行物理分析,主要探究外加磁场对电子运动的约束现象。
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