高性能科学计算研究

如有帮助，欢迎下载一般地，构成实际应用物理过程的各个不同阶段的物理模型，可分别由不同类型的时间相关或无关的偏微分方程在给定的物理区域上描述。如何针对不同偏微分方程的问题设计合适的网格和离散格式，如何设计可扩展的并行算法及其并行实现技术，在离散网格上给出方程的近似解，是我们研究的两个主要方面。本项目的研究以科学计算的共性问题为核心，包括具有最优复杂性的计算方法研究和能发挥计算机浮点计算峰值性能的实现技术研究，同时应用本项目科学计算的共性问题的研究成果，解决一批我国具有重大需求的科学计算问题。创创新计算方法的基础理论研过去五十多年科学计算发展的历史表明：基础计算方法的重要突破如有限元方并行自适应算法与理格方法。将h-方法和p-方法结合可以得到h-p方法，也可以将r-方法和p-方结合得到r-p方法。网格自适应方法最根本的目标在于使用最少的计算资源来解决问题，从而可以在现有的硬件资源条件下扩大计算的规模和提高计算的精度容集中在下面的二个方面：复杂的网格自适应算法及其实现技术研究:包括h-p方法和r-p方法的算法我们将研究复杂网格上的hp和p自适应有限元空间的自动构造方法的算法，进行区域界面上的网格进行自适应和匹配的算法以及进行软件实现并将这样算法应用在一些具体问题上，比如最优工程设计问题 方高效可扩展的并行网格自适应二分加密算法并提供相应的并行程序，进行Maxwell方程计算的三维自适应并行有限元通用软件框架的研制新型的网格指示子的研究:我们将针对一些具有重要意义的实际问题的模型问题，进行复杂的hp和p离散问题的误差估计的研究，期望能够给出适用于hp和p方法的新型的后验几何算法的基本思想几何算法的基本思想是“数值格式应该尽可能多的保持原系统的本质特征和内等对布朗运动的罗斯学者G.Milstei教授和在英国工作的俄罗斯学者.v教授等基于a教授利用李研究将是未来几年保结构算法发展的重中之重。新兴材料学、生物学、物理学、化学等领域中出现的随机效应的应用。（0.13-0.09微米CPU（奔腾4的时钟频率达4GH国家安全、以及社会发展的战略高技术计算方法在大规模高速集成电路的计算机辅助设计（CAD）中发挥着关键的作用，为了使用CAD性等问题，互联线以及布线层之间穿孔的非连续问题必须法出发来建立具有自己特点的多层介质的三维互连结构的参数提取方法及其实现技术。命:（函数的量子动力学Kh可以使用常规的平衡态电子FemiDiac半古典Bolzmann或Didiusion过渡。我们将通过设计界面条件使得能量密度光滑的方法来设计一个光滑过渡22解决当前国际前沿的具有普适性的三个并行计算关键科学问题。研究可扩展并行算法与并行实现技术，综合考虑数值计算效率和实浮点计算效率，实现高效计算。具体地，包含如下内容 l率可扩展并行算法及其并行实现技术； 针对以离散网格或者粒子为基础的并行数值模拟，结合微处理器多级结构及并行实现技术，实现高效率的浮点计算。以项目明确的具体应用为需求牵引，兼顾其它国民经济和国防建设程序，并可以方便高效地运用这些并行程序开展大规模数值模拟研究。研究上述问题中并行数值模拟产生的大规模分布式数据场的存储、3.复杂流动问题的高性能算法研973从学科发展本身来讲，地球系统模式的初级形式-气候系统模式的发展已经5-8”Simulato，（的“地球系统模拟框架计划”ESMF，还有德国的“地球系统模式计划”等。气候系统模式与地球系统模式的主要差别在于气候系统模式只主要考虑了。对海洋模式也有类似的问题。总之，仅应，一直是没有很好解决的难题。尽管前期973一关键问题。来区域气候的预测将是一个不可克服的困难解决的办法之一就是将全球模模式系统的预报效果不仅与模式性能有关，而且与模式的初值有关。因此，llll入巨资，实施了“加速战略计算创新入巨资，实施了“加速战略计算创新”计划，即所本课题拟研究其中最主要的关键技术之一――具有特征的LosAlamos和Livermore国家实验室在该领域开展了大量相关的研究，主要Euler方法、Lagrange方ALE(包Euler 高维流体动力学、弹塑性流体动力学多介质大变形问题Lagrange计算l二维和三维任意离散点集上差分方法及并行计算方法研究4分子动力学基于第一原理计算新方基于2060年代Hohenbeg,Kohn和Sham提出的密度泛函理论,成了第一原理计算方法,同时形成了第一原理的分子动力学和动 （团簇特别是纳米尺度下的物性计算，需要处理的原子数一般要求超过1000。由于突破。一旦取得明显进展，将会大大推进纳米科学的发展。CaPainello方法于1985用梯度共轭方法等直接求解本征值和本征波函数这样大大地减少了计算量VASP尽管实空间方法和倒空间方法的计算量随空间尺度变化有相同的关系但150）往往不具有空间平移周期性，对2）在实空间方法中，直接处理的模型（解的方程从而可已计算更大规模的体系。本项目将在前一个973项目针对大规模复杂体系的有限元方法及其区域分解算法所取得的研究成果的基础上，探索Kohn-Sham方程的高效数值求解方法。为了减少计算量，原子核和芯电子与价电子之间的相互作用采用赝势描述通讯，在（自洽）离散过程中将采用区域分解与组合技术，最大限度地提高方主要研究内容包括： 利用以上研究成果，建立能够处理上千个原子的实空间第一原理计算法和完善强关联理论计算体系。本项目在这方面的研究内容为：l将密度矩阵重正化群方法与量子蒙特卡洛方法结合起来，探索发展一套快速可靠的计算多体关联系统基态的新方法。这两种方法的结合，有望克服或减小量子蒙特卡洛处理费米子交换时出现的本征负号问题，又可 在新材料的研发中，纳米材料科学是21世纪最重要的前沿科学之一，多学科交叉是纳米材料科学研究的重要特征其中纳米尺度下的材料物性及制备工的计算模拟是重要的研究内容之一纳米薄膜技术

中扮演和物力。由美国国家实验室首先制成的UNC（Ultrananocrystallinediamond——超纳晶格金刚石）薄膜，展现了奇特的力学、电磁学、润滑等性能，正成制

的关键材料尺度下的界面破坏与断裂问题成为纳米材料科学的重要研究课题。在纳米尺度”“不”““”于起步阶段本项目 的纳米结构数值模拟及工艺优化容为 薄膜（如UNCD）的纳米结构、生长机理和物理、力学性能的多尺度模l合材料和纳米薄层材料的面断裂行为进行计算机模拟。 材料性能预测与材料服役行为分析的多尺度计算模经成为数学、力学、物理、材料等领域的热门研究课题。近20年来，从多尺确预测不同层次的材料性能和材料-结构服役行为的一体化分析变得十分困难和复杂。基于国家对新型轻质、强韧、防热和高物理性能材料的强烈需求，为了探索、创新新材料及其结构形态，我们将重点开展如下研究 l 采用周期性和随机性数学理论，研究包括晶体结构、纳米结构在内的不研究和建立多物理场、多相及时空多尺度耦合的多尺度关联（从宏观尺度到纳米尺度）模型，以及材料和结构性能预测的多尺度计算方法，发振、电、磁等物理力学分析的、多层次桥域分解的计算模型和高性能计算方法l计灵敏度分析和优化计算问题，发展包括结构宏观构形和材料细观构形统一优化设计模型与高性能计算方法。方法的需求针对其存在的共性问题开展创新计算方法基础理论的研究实现其计算方法的建立等国家重大需求问题。五年的预期目标为 研究复杂网格上的h-p和r-p自适应有限元空间的自动构造方法的算法究新型的后验误差估计和构造网格自适应的指示子。l几何算法理论与应用、随机有限元方法及其应用。 完成适合Maxwell方程计算的并行自适应有限元软件框架，利用该框光学问题包括集成电路高频参数提取函数的量子动力学Keldysh方程的快速计算方法的研究建多物理场模型耦合界面条件及快速精确的算法 发表高水平学术论文80培养博士和硕士研究生多人争取培养杰出人才1名。大大规模并行计算研l器。 建立2个并行数值模拟支撑软件框架。在此框架上，研制多个并行应展数值模拟并有效地分析数值模拟结果。 发表高水平学术论文30篇，培养博士和硕士研究生多人 3）全球模式与区域模式的高性能嵌套算法；4）一种全新的资料变分球地球系统模式开展不同情景下气候变化预测研究，参加耦合模式比3）书。l的大变形物理过程进行有效的科学计算。 发表高水平学术论文60培养博士和硕士研究生多人争取培养杰出人才1-2名。l现量子调控。困难。研究薄膜（如UNCD）的纳米结构、生长机理和物理性能的多尺度模模型，以及材料和结构性能预测的多尺度计算方法；发展和创新适合于设计灵敏度分析和材料与结构一体化多尺度优化设计方法。发表高水平学术论文60篇，培养博士和硕士研究生多人本项目将在上一个973计划大规模科学计算研究形成的高水平研究队伍已以国家重大应用需求中涉及的科学计算挑战性问题立项急待解决的大规模科学计算问题。本项目选择了复杂流动问题的高性能算法研本项目的应用目标中有的是在上一个973计划“大规模科学计算研究”高水。在上一个3项目大规模科学计算研究”的资助下，我们初步研制了能源、材料、大气环境、国防等的十多个二维和三维数值模拟并行程序，突破了多项关键的并行算法和并行实现技术问3项目大规模科学计算研究”我们关于自适应计算方法一系列原创性理论成果的基础上，我们以并行自适应算法及其关键实现技术这一国际科学计算领域极富挑战的难题作为11．大规大规模并行计算研课题组长：张林波（中国科学院数学与系统科学研究院大规模分布式数据场的存储、处理与可视化经费比例复杂流动问题的高性能算法研课题组长：王斌（中国科学院大气物理研究所高维多介质大变形流体动力学计算方法研究及程序研经费比例材料物性的多物理多尺度计算研课题组长：张平文（北京大学承担单位：北京大学、大连理工大材料性能预测与材料服役行为分析的多尺度计算模经费比例本项目的课题设置以第一课题的基础算法研究为核心，以第二课题的并行计算方法和并行计算框架的研究为支撑，以第三、四课题组的研究内容为应用目标，整个项目构成一个紧密联系的整体。二个应用课题除了着重解决各自的关键计算问题及实现技术外，也为基础算法的研究提供重要的研究内容和研究背景。国高性能科学计算水平起关键作用的高性能计算基础算法的创新及其关键实现研究内 预期目针对三维Maxwell方程组及涡问题，研究复杂网格上的hp和自适应有限元空间的自动构造方法的算法；开展随机Hamilon

建立三维Maxwell问题的自适应多重网格方法理论及其实现；建立随机Hamilon系统的机振子的长时间动力学行为、随撑软件框架中数学物理无关层的第心算法包括动态负载平衡方法构和非结构网格的自适应技术—求解重力内波高性能数值方法研年陆面过程与水文过程耦合方案研力学欧拉数值方法界面追踪技术研方法离散格式研究。研究基于有限元的实空间电子结度的量子调控研究；开展薄膜（

完成并行网格架构、核心数据结提出适合并行自适应计算的动态负彻底解决全球格点模式高纬地三维非定常可压缩多介质流体动力三维弹塑性流体动力学拉格朗日方法离散化方案；完成一套原理性计算程序以证该方法的可行性建立力学物理研究内 预期目UNCD）的纳米结构、生长机理和

研究电磁散射问题二维光栅问的PML方法的后验误差估计理论；开展随机辛算法的应用研究多层第质的三维互连结构的参数提取问题二研究两个支撑软件框架中的数年器和用户接口研究自适应网格上的高效解法、区域分解方法求解非静力平衡斜压原始方程中

建立电磁散射问题、二维光栅题的自适应PML技术及程序实现；建立随机辛算法的能量分析理论别是随机辛算法对分子生物学和材料科学等领域中出现的随机效应的计算的Maxwell方程组与电路分模型，提出严格的数学描述和分析初步完成两个支撑软件框架的行算法包括并行多重网格算法研究内 预期目声波方程的高性能数值方法的研究；子输运通量扫描并行算法、方程的区域分解方法并行迭代算开展纳米尺度下界面断裂的物理件下的力学电磁学和润滑等性能预测方法;将密度矩阵重正化群方

用于设计非静力平衡斜压原始方程全球模式框架用于海洋资料同方法混合网格的计算格式给出三弹塑性流体动力学拉格朗日方法滑移面计算方案。建立一套利用分子动力学方法模拟材料界面断裂的纳米力学模型和合材料和纳米薄层材料的面断裂行为进行计算机模拟;克服或减小量子蒙特卡洛处理费米子交换时出现的物理问题计算方法的可靠性和适用范围研究内 预期目在三维并行自适应有限元框架的基础上，研究三维Maxwell方程组网格自适应并行算法研究随机李Maxwell方程PML方法的数学理第适应有限元方法的理论研究成果开三一原理计算的并行计算年3.全球模式与区域模式的高性能嵌套方案的研究地球系统模式高性4.开展密度泛函理论与分子动力学

建立三维Maxwell方程组并行自性分析；建立多层介质中方程的自适应PML方法及其与自应有限元方法的耦合初步形成多个基于软件框架的自应用于区域气候模式与全球模式候系统各分量模式的直接耦合;为地给出三维多介质欧拉数值方法总体性流体动力学拉格朗日方法总体计算格式及程序实现。完成程序编程和优化并以小分为例检验方法的优越性和需改进研究内 预期目作用系统基矢排序的最佳方法

统所发现的反常物理现象进一步精确计算分子系统的重正化群方法，进计算方法;在纳米结构等体系中精确计算几个有应用背景量子点或量子调控方面取得重要进展。优化和完善计算程序;完善有限元研究电磁散射问题二维光栅问的并行自适应PML方法;开展无的研究;开展基于非平衡态第函数的量子动力学Keldysh方程快速计算方法的研究四运用多个并行应用程序，开展年杂流动电磁场和实空间方法第一原理计算的并行数值模拟集成可扩

建立电磁散射问题二维光栅问的并行自适应PML技术及程序实现;建立随机多辛几何算法的随机分别对新建的气候系统模式及其加各种有效的国际模式比较计划研究内 预期目气候系统各分量模式的检验和评针对具有时空离散（分子动力学题，研究相应的保辛算法;研究和的多尺度关