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主编寄语 江松 计算物理    2024, 41 (1): 1-1.   摘要 （64）   HTML （17）    PDF （550KB）（5787）    可视化    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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SEMD：一种面向实际数值模拟软件的跨平台自动性能优化编程工具 张鹏, 张爱清, 莫则尧, 王景焘 计算物理    2024, 41 (1): 52-63.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8777 摘要 （116）   HTML （6）    PDF （14870KB）（1023）    可视化    针对手工软件性能优化缺乏可复用性和可移植性的问题, 设计实现一种面向实际数值模拟软件的跨平台自动性能优化编程工具SEMD (Single element-based computing multiple data)。SEMD采用数值模拟领域基于网格的高层语义对数值计算循环进行抽象, 完全屏蔽底层硬件特征和性能优化实现, 使得基于其编写的数值计算子程序能够自动实现跨平台性能可移植。典型算例测试结果显示: 在X86、ARM、GPU三种不同架构的处理器上, SEMD的整体性能优化效果超过国际上的同类产品。此外, SEMD在结构、流体、电磁等领域实际数值模拟软件的研制中也得到了初步应用, 支撑4款软件热点数值计算子程序平均性能提升164%. 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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量子计算加速的解法器算法及应用综述 许康, 李泽阳, 郭竹丰, 沈颖童, 王威, 缑敏辉, 王子正, 王玉坤, 刘伟峰 计算物理    2024, 41 (1): 131-150.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8778 摘要 （404）   HTML （17）    PDF （1957KB）（978）    可视化    量子计算作为一种基于量子力学原理的全新计算模型, 具有强大的并行性和潜在的颠覆性影响力, 为解决复杂问题提供了新的思路。本文的主要目标是对量子计算在大规模科学与工程计算领域中数值计算问题的解法器算法和应用进行综述。重点介绍量子计算在线性方程组、特征值问题、微分方程、哈密顿量与图计算、量子机器学习、量子解法器平台以及实际数值模拟等领域的具体应用。针对不同的数值计算问题, 详细讨论当前主流的量子计算算法, 并总结近年来国内外相关算法的研究进展。最后, 对量子计算在数值计算求解相关研究方向的未来发展趋势进行展望。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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围炉对谈: 性能优化的个性与共性 莫则尧, 王龙, 刘杰, 谭光明, 刘伟峰, 喻之斌, 翟季冬, 杨海龙, 徐小文 计算物理    2024, 41 (1): 3-8.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8818 摘要 （166）   HTML （11）    PDF （658KB）（645）    可视化    2022年12月12日, 第八届高性能计算中间件技术研讨会(HPCMid22)成功召开。HPCMid (会议网址: http://www.caep-scns.ac.cn/HPCMid.php)每年举办一次, 面向科学与工程计算数值模拟应用在当前及下一代超级计算机上面临的挑战, 围绕高性能计算中间件关键技术, 邀请相关学者报告最新研究进展并探讨未来发展趋势。第八届研讨会以"适配新型体系结构的性能优化技术"为主题, 聚焦后摩尔时代新型体系结构为科学与工程计算带来的机遇与挑战, 探讨新型体系结构下可移植性能优化技术的发展趋势。本届研讨会的专家座谈(Panel Session)环节由莫则尧研究员和徐小文研究员共同主持, 邀请了王龙、刘杰、谭光明、刘伟峰、喻之斌5位来自高校、科研院所、企业的专家围绕"性能优化: 个性vs共性"这一主题开展了深入的讨论与交流, 翟季冬、杨海龙等多位专家也参与了讨论。专家们针对性能优化技术的研究现状与发展趋势、面临的问题与挑战以及人才培养等方面发表了许多有启发性的观点。《计算物理》编辑部特将本次讨论整理后发表, 以飨读者。限于篇幅, 略有删节。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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辐射扩散方程的非线性迭代方法 安恒斌, 莫则尧 计算物理    2024, 41 (1): 75-86.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8765 摘要 （148）   HTML （11）    PDF （1439KB）（631）    可视化    为了提高Newton方法和Picard方法求解辐射扩散方程组的健壮性和收敛速度, 介绍应用这两类方法求解辐射扩散方程组的几方面工作, 包括迭代初值的选取、迭代过程物理约束的处理、Picard迭代过程与Anderson加速的结合以及针对Anderson加速方法的改进等。通过应用相关的处理和改进策略, 两类方法可有效应用于非线性辐射扩散方程的求解。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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异步感知的异构高性能计算机性能预测方法 金煜阳, 马子轩, 翟季冬 计算物理    2024, 41 (1): 40-51.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8759 摘要 （159）   HTML （6）    PDF （5225KB）（549）    可视化    针对异步策略设计难的问题, 提出面向异构超级计算机的高效异步性能预测方法, 解耦异步与同步执行的性能, 通过层次化建模等技术实现快速精确的性能预测, 指导异步策略设计与性能优化。在国产神威异构高性能计算机上, 以高性能计算领域典型应用为例, 验证所提出建模方法的准确性和高效性。实验结果表明: 本方法平均预测精度达到96.61%, 预测效率在毫秒级。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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稀疏矩阵向量乘的自动调优 杜臻, 谭光明 计算物理    2024, 41 (1): 33-39.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8763 摘要 （150）   HTML （2）    PDF （4372KB）（539）    可视化    分析稀疏矩阵向量乘(SpMV)程序优化的难点, 介绍两个自动调优的代表性工作: 基于预实现模板的SMAT和从头设计程序的AlphaSparse。详细介绍了它们的设计思路、实现细节、测试结果以及各自的优缺点。最后, 对SpMV自动调优的发展趋势进行了分析和预测。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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多群辐射扩散问题特征驱动的并行AMG法 舒适, 岳孝强, 何剑萌, 徐小文, 莫则尧 计算物理    2024, 41 (1): 87-97.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8768 摘要 （126）   HTML （4）    PDF （1141KB）（534）    可视化    对求解多群辐射扩散(MGRD)方程组的大规模离散系统的已有快速算法进行分类, 给出相应的综述。基于近年来所设计的关于并行代数多重网格(AMG)方面的工作, 形成基于物理量的近似Schur补型与基于物理和代数特征的组合型预条件算法和理论框架, 并对这些工作在该框架下的要素进行了刻画。利用上述框架, 设计一种具有基本逼近性和低计算复杂度的近似Schur补型预条件子, 并建立相应的谱等价理论; 对比数值实验表明: 新预条件子具有更好的稳健性和计算效率。最后提出需要进一步解决的若干问题。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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面向渗流力学应用特征的预条件方法 冯春生, 李仕哲, 刘生豪, 张晨松, 赵梨 计算物理    2024, 41 (1): 98-109.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8791 摘要 （151）   HTML （1）    PDF （1481KB）（488）    可视化    渗流力学模型由多个偏微分方程非线性耦合而成。在不同的应用问题中, 渗流力学问题的特性并不完全相同, 相应的求解方法也不相同。本文以油气藏开发中的典型数学模型为例, 介绍多孔介质中的多相多组分渗流力学方程的数学形式、应用特征以及其离散线性方程组的高效求解方法, 特别是一些常用的预条件方法。此外, 对标准算例进行适当的修改, 对部分预条件方法的共享内存并行效率进行了测试。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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非等温eXtended Pom-Pom泊肃叶流动的光滑粒子流体动力学方法模拟 许晓阳, 赵雨婷 计算物理    2024, 41 (2): 161-171.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8685 摘要 （100）   HTML （3）    PDF （1855KB）（478）    可视化    开展非等温黏弹性泊肃叶流动的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟，其中流体的黏弹特性依据eXtended Pom-Pom(XPP)本构模型进行建模和计算。推导温度方程的SPH离散格式，并依据时温等效原理考量流体的黏弹特性对温度的依赖。将SPH模拟结果与利用有限体积方法得到的结果进行比较，验证SPH方法模拟非等温XPP泊肃叶流动的准确性和有效性。利用4个不同粒子初始间距进行模拟，讨论SPH方法的数值收敛性。研究温度方程的引入对泊肃叶流动带来的影响。深入分析不同物理参数对流动过程的影响。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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三温能量方程离散线性系统的两层迭代算法收敛因子估计及特征分析 郝悦, 黄思路, 徐小文 计算物理    2024, 41 (1): 122-130.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8767 摘要 （58）   HTML （1）    PDF （1918KB）（431）    可视化    基于代数多重网格(AMG)方法的理论框架, 详细分析基于物理量粗化的两层迭代方法(PCTL)算法的具体收敛性质, 刻画算法收敛因子的合理上界, 为PCTL算法提供理论保证。进一步深入分析影响PCTL算法收敛速度的代数特征, 如对角占优性和耦合强度, 为PCTL算法的应用和算法调优提供了理论指导。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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天河超算系统并行算法库 刘杰, 石永振, 杨博, 张翔, 陈新海, 张华健, 郭晓威, 李胜国, 李润华, 彭晋韬, 肖调杰, 陈旭光, 张庆阳, 李彪, 冷灿, 李翊谁, 王庆林 计算物理    2024, 41 (1): 9-21.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8784 摘要 （195）   HTML （7）    PDF （7923KB）（424）    可视化    国防科技大学研制的天河超算系统7次荣登世界超算TOP500排行榜第一名。面对高效能发挥超算系统性能的实际需求, 天河团队抽取大型科学与工程计算中的共性核心计算方法, 根据天河超算系统的特点设计与实现了可扩展并行算法, 研制了天河超算系统并行算法库, 是天河超算系统应用支撑环境的重要组成部分。本文首先对天河超算系统的发展历程和系统结构等内容进行回顾; 随后, 对网格处理算法库、偏微分方程离散求解算法库、矩阵计算算法库、粒子输运计算库、聚合通信算法库以及深度学习算法库等并行算法库的架构、功能以及性能进行重点介绍; 最后, 对天河超算系统上典型应用软件的简要总结显示: 并行算法库可有效支撑典型应用软件的快速开发与性能优化。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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一类求解含静态裂缝线弹性问题的预条件扩展有限元方法 范鹤潇, 陈星玎 计算物理    2024, 41 (2): 151-160.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8683 摘要 （128）   HTML （12）    PDF （4379KB）（419）    可视化    基于几何型扩展有限元离散方法, 研究含静态裂缝线弹性问题的高效区域分解预条件算法。为了构造Schwarz型预条件算法, 采用一种特殊的裂尖型区域分解策略, 将计算区域分解为包含所有分支增强自由度的裂尖子区域和仅包含标准有限元自由度与Heaviside增强自由度的常规子区域。基于该区域分解策略, 推导一类高效的乘性和限制型乘性Schwarz区域分解预条件子, 对裂尖子问题进行精确求解, 而对常规子问题则非精确求解。数值实验验证了算法的有效性。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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应用特征驱动的并行数值代数解法器JPSOL 胡少亮, 徐小文, 安恒斌, 徐然, 范荣红 计算物理    2024, 41 (1): 110-121.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8771 摘要 （114）   HTML （4）    PDF （14507KB）（400）    可视化    介绍JPSOL (J Parallel Solver Library for Numerical Algebra Problems)的软件架构、矩阵向量数据结构、三类算法库(线性、非线性和特征值)及领域专用解法器, 然后通过基本迭代法的测试结果说明其高可扩展并行性, 最后通过几类典型实际应用, 展示应用效果和健壮性。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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有机太阳能电池内分子间载流子复合动力学研究 李冲, 王美姣, 葛琳, 曹连振 计算物理    2024, 41 (2): 182-192.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8704 摘要 （114）   HTML （1）    PDF （9428KB）（385）    可视化    基于载流子复合对有机太阳能电池光伏效率的重要影响，采用扩展的Su-Schrieffer-Heeger紧束缚模型结合非绝热量子动力学方法，对有机太阳能电池内的分子间载流子复合动力学进行理论研究。首先，模拟并揭示了正、负载流子在给/受体界面处的分子间电荷复合动力学过程，发现分子间的载流子复合表现为分数电荷复合并伴随能量的损失。随后，研究体系带阶Δ、电场、热效应和受体分子的聚集对分子间载流子复合动力学的影响。结果表明：体系带阶Δ表现为载流子的复合势垒，带阶越大越利于抑制载流子的复合。电场可以通过诱导正、负电荷的空间离域抑制载流子的复合，特别是，当电场足够强时可以将复合的电荷转移态解离为自由载流子。热效应会引起给/受体材料在位能的随机涨落，降低载流子的复合势垒，进而加剧载流子的复合。受体分子的聚集会诱导电子在受体分子之间的扩展，增大界面处正、负电荷中心的距离，从而抑制载流子的复合。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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质量交换网络的个体重构优化方法 金广林, 崔国民, 肖媛, 刘洪彬, 付寅瑞, 张志坤 计算物理    2024, 41 (2): 245-257.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8682 摘要 （75）   HTML （6）    PDF （1719KB）（381）    可视化    针对质量交换网络优化过程中出现结构变异能力减弱和种群多样性丢失, 导致优化易陷入局部最优解的问题, 提出一种带有个体重构策略的强制进化随机游走算法。在接受差解的过程中, 对个体进行实时监测, 采用不同重构方式激励落后个体网络结构更新变异, 从而提升算法的结构变异能力和种群多样性。同时根据有分流节点非结构模型的特点, 对交叉重构后的新个体网络结构进行节点修复处理。最后通过R2S2和R4S2算例验证该策略的有效性, 优化结果均低于当前文献结果, 证明该策略能有效增强算法的结构变异能力和全局寻优能力。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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适用于申威众核架构的稀疏矩阵-矩阵乘法 刘侃, 杨磊, 薛巍, 陈文光 计算物理    2024, 41 (1): 22-32.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8766 摘要 （112）   HTML （8）    PDF （8404KB）（375）    可视化    本文提出新一代申威众核架构上稀疏通用矩阵-矩阵乘法(SpGEMM)的并行算法swSpGEMM。设计轻量级并行任务划分有效地应对了矩阵非零元分布引起的负载不均衡问题; 针对累加过程中的不规则访存和指令流水低效问题, 设计了分层稀疏累加器, 在不同输入特征下高效利用申威从核层次化内存, 且减少了整数查找中的指令间依赖, 更有效地发挥硬件的计算能力。SuiteSparse稀疏矩阵测试集中较大规模输入矩阵上, swSpGEMM的性能相比Intel Skylake双CPU上的MKL和NVIDIA A100上的cuSPARSE分别加速了21.1%和95.3%。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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特征修正并行预条件算法框架 徐小文, 莫则尧, 胡少亮, 安恒斌 计算物理    2024, 41 (1): 64-74.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8787 摘要 （126）   HTML （4）    PDF （9899KB）（372）    可视化    针对实际应用中稀疏线性解法器计算复杂度偏离线性扩展的瓶颈问题, 提出特征修正预条件算法统一框架, 通过凝练物理特征中影响算法效率的代数特征, 结合多层次特征分析, 构造特征修正组件。通过几类典型特征修正预条件算法及应用成效, 展示了该框架的有效性。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟 王习文, 叶学民, 李丹, 李春曦 计算物理    2024, 41 (2): 172-181.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8689 摘要 （137）   HTML （7）    PDF （9745KB）（366）    可视化    采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程，在多种方法验证计算模型准确性的基础上，探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响，以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明：液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层，撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时，片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时，片层形成后会完全闭合，韦伯数越大，且片层完全闭合的时刻越早，并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时，韦伯数越大，则片层发生破裂的时刻越早；在片层打开过程中，破裂后的片层成环条状下落，即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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含正多边形纳米孔次生多裂纹的一维六方压电准晶体的反平面剪切问题 郭怀民, 姜丽娟, 赵国忠, 徐国明 计算物理    2024, 41 (2): 222-231.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8706 摘要 （55）   HTML （3）    PDF （6774KB）（364）    可视化    利用Gurtin-Murdoch表界面理论和复势法，讨论一维六方压电准晶体含纳米级正n边形孔口次生多裂纹的反平面问题，得到电场、声子场和相位子场强度因子和能量释放率的精确解。通过算例讨论纳米级孔口次生裂纹形貌对能量释放率和场强度因子的影响。结果显示：当缺陷达到纳米尺寸时，在声子场、相位子场和电场相互耦合作用下会产生表面效应，缺陷尺寸越小表面效应越明显，裂纹条数越多场强度因子越小，随着缺陷尺寸的变大，表面效应的影响会逐渐减弱，最后趋于经典断裂理论的结果。 图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价