本發(fā)明涉及海洋科學(xué)計算，具體而言，涉及一種海洋模型并行計算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，精確預(yù)測海洋環(huán)境變得日益重要。因此，通常需要通過普林斯頓海洋模型（princeton?ocean?model-pom）基于消息傳遞接口或者通過cuda-c代碼對pom重新編寫，來實現(xiàn)pom的并行計算。

2、在現(xiàn)有技術(shù)中，通過消息傳遞接口進行并行計算的方法，由于內(nèi)存分配原因無法在一個或兩個處理器上運行，導(dǎo)致pom并行計算存在一定的局限性；同時，由于cuda-c代碼的編程較為困難，通過cuda-c代碼對pom重新編寫則會導(dǎo)致對pom并行計算的移植難度較高且不宜維護。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問題是如何提高海洋模型并行計算的加速效果。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提供一種海洋模型并行計算方法及系統(tǒng)。

3、第一方面，本發(fā)明提供一種海洋模型并行計算方法，包括：

4、通過cpu對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至gpu；

5、通過所述gpu，根據(jù)所述初始海洋參數(shù)對所述海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，得到處理后的循環(huán)區(qū)域；

6、通過所述處理后的循環(huán)區(qū)域在所述海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)所述初始海洋參數(shù)進行并行計算，得到所述初始海洋參數(shù)的計算結(jié)果，并將所述計算結(jié)果從所述gpu傳輸至所述cpu。

7、可選地，所述通過cpu對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至gpu，包括：

8、通過所述cpu對所述輸入數(shù)據(jù)進格式化處理和單位轉(zhuǎn)換處理，得到與所述海洋模型的輸入格式相同的輸入數(shù)據(jù)，作為所述初始海洋參數(shù)；

9、根據(jù)所述gpu的數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間，將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至所述gpu。

10、可選地，所述海洋模型并行計算方法，還包括：

11、判斷所述gpu的內(nèi)存空間中是否存在未初始化的所述數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間；

12、若所述gpu的內(nèi)存空間存在未初始化的所述數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間，則通過openacc的create指令控制所述輸入數(shù)據(jù)在所述gpu上進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將初始化后的所述初始海洋參數(shù)分配至gpu的所述數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間；

13、若所述gpu的內(nèi)存空間不存在未初始化的所述數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間時，通過cpu對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至所述gpu。

14、可選地，所述將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至所述gpu，包括：

15、若所述gpu的內(nèi)存空間不存在未初始化的所述數(shù)據(jù)內(nèi)存分配空間時，則通過openacc的copy指令將已初始化的所述初始海洋參數(shù)從所述cpu的內(nèi)存空間存儲至所述gpu的顯存空間中。

16、可選地，所述根據(jù)所述初始海洋參數(shù)對所述海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，得到處理后的循環(huán)區(qū)域，包括：

17、通過所述初始海洋參數(shù)的代碼對每個所述循環(huán)區(qū)域進行分析，得到每個所述循環(huán)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)依賴；

18、根據(jù)所述數(shù)據(jù)依賴對所述循環(huán)區(qū)域進行重構(gòu)，得到所述處理后的循環(huán)區(qū)域。

19、可選地，所述通過所述初始海洋參數(shù)的代碼對每個所述循環(huán)區(qū)域進行分析，得到每個所述循環(huán)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)依賴，包括：

20、通過對所述初始海洋參數(shù)的代碼，判斷每個所述循環(huán)區(qū)域與其他循環(huán)區(qū)域中是否存在相同的參數(shù)；

21、若是，則判定所述循環(huán)區(qū)域與所述其他循環(huán)區(qū)域存在所述數(shù)據(jù)依賴；

22、若否，則判定所述循環(huán)區(qū)域與所述其他循環(huán)區(qū)域不存在所述數(shù)據(jù)依賴。

23、可選地，所述根據(jù)所述數(shù)據(jù)依賴對所述循環(huán)區(qū)域進行重構(gòu)，得到所述處理后的循環(huán)區(qū)域，包括：

24、將所述循環(huán)區(qū)域的最外層的垂直循環(huán)移動至所述循環(huán)區(qū)域的最內(nèi)層；

25、通過collapse子語句，確定所述循環(huán)區(qū)域的嵌套循環(huán)層數(shù)；

26、通過所述嵌套循環(huán)層數(shù)調(diào)整所述循環(huán)區(qū)域的循環(huán)順序，得到所述處理后的循環(huán)區(qū)域。

27、可選地，所述通過所述處理后的循環(huán)區(qū)域在所述海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)所述初始海洋參數(shù)進行并行計算，得到所述初始海洋參數(shù)的計算結(jié)果，包括：

28、在所述海洋模型中所述內(nèi)外模態(tài)對應(yīng)的循環(huán)區(qū)域中添加并行指令，其中，所述海洋模型的內(nèi)模態(tài)和外模態(tài)分別對應(yīng)一個循環(huán)區(qū)域；

29、通過所述并行指令控制所述內(nèi)外模態(tài)的所有循環(huán)區(qū)域同時進行計算，得到所述初始海洋參數(shù)的所述計算結(jié)果。

30、可選地，所述將所述計算結(jié)果從所述gpu傳輸至所述cpu；

31、對所述計算結(jié)果進行篩選，得到所述cpu需要的輸出數(shù)據(jù)；

32、通過輸出指令將所述輸出數(shù)據(jù)從所述gpu的內(nèi)存空間復(fù)制至所述cpu的內(nèi)存空間。

33、第二方面，本發(fā)明提供一種海洋模型并行計算系統(tǒng)，包括：

34、數(shù)據(jù)處理單元，用于通過cpu對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至gpu；

35、循環(huán)轉(zhuǎn)換單元，用于通過所述gpu，根據(jù)所述初始海洋參數(shù)對所述海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，得到處理后的循環(huán)區(qū)域；

36、并行處理單元，用于通過所述處理后的循環(huán)區(qū)域在所述海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)所述初始海洋參數(shù)進行并行計算，得到所述初始海洋參數(shù)的計算結(jié)果，并將所述計算結(jié)果從所述gpu傳輸至所述cpu。

37、本發(fā)明的海洋模型并行計算方法及系統(tǒng)，通過在cpu上初始化海洋模型的輸入數(shù)據(jù)并直接將其傳輸至gpu，減少了cpu與gpu之間的通信頻率，從而加速了模型的啟動和運行，接著，在gpu上利用并行計算能力，根據(jù)初始參數(shù)對海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，例如，通過循環(huán)重構(gòu)和數(shù)據(jù)依賴分析確保循環(huán)區(qū)域可以高效并行執(zhí)行，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。最后，利用處理后的循環(huán)區(qū)域在海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)初始海洋參數(shù)進行并行計算，通過精細(xì)的并行策略和優(yōu)化的數(shù)據(jù)訪問模式，加速計算過程，并將計算結(jié)果同步至cpu，以便進行后續(xù)分析或存儲。本發(fā)明通過cpu負(fù)責(zé)初始化數(shù)據(jù)以及最后的輸出數(shù)據(jù)，gpu負(fù)責(zé)循環(huán)重構(gòu)和并行計算策略，將整個程序進行移植至gpu，通過gpu將所有可并行的循環(huán)進行并行，利用gpu的高并行處理能力，顯著提高模型的計算速度和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力，實現(xiàn)了海洋模型并行計算的加速，改善了海洋模型并行計算的加速效果。

技術(shù)特征：

1.一種海洋模型并行計算方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述通過cpu對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至gpu，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述將所述初始海洋參數(shù)從所述cpu傳輸至所述gpu，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述根據(jù)所述初始海洋參數(shù)對所述海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，得到處理后的循環(huán)區(qū)域，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述通過所述初始海洋參數(shù)的代碼對每個所述循環(huán)區(qū)域進行分析，得到每個所述循環(huán)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)依賴，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述根據(jù)所述數(shù)據(jù)依賴對所述循環(huán)區(qū)域進行重構(gòu)，得到所述處理后的循環(huán)區(qū)域，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述通過所述處理后的循環(huán)區(qū)域在所述海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)所述初始海洋參數(shù)進行并行計算，得到所述初始海洋參數(shù)的計算結(jié)果，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋模型并行計算方法，其特征在于，所述將所述計算結(jié)果從所述gpu傳輸至所述cpu；

10.一種海洋模型并行計算系統(tǒng)，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種海洋模型并行計算方法及系統(tǒng)，涉及海洋科學(xué)計算技術(shù)領(lǐng)域；海洋模型并行計算方法包括：通過CPU對海洋模型的輸入數(shù)據(jù)進行初始化，得到初始海洋參數(shù)，并將初始海洋參數(shù)從CPU傳輸至GPU；通過GPU，根據(jù)初始海洋參數(shù)對海洋模型的循環(huán)區(qū)域進行處理，得到處理后的循環(huán)區(qū)域；通過處理后的循環(huán)區(qū)域在海洋模型的內(nèi)外模態(tài)中根據(jù)初始海洋參數(shù)進行并行計算，得到初始海洋參數(shù)的計算結(jié)果，并將計算結(jié)果從GPU傳輸至CPU。本發(fā)明利用GPU的高并行處理能力，顯著提高模型的計算速度和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力，實現(xiàn)了海洋模型并行計算的加速，改善了海洋模型并行計算的加速效果。

技術(shù)研發(fā)人員：王意寧,周巍,姜冬,李秉天,葛云秀,武靖雯,劉國偉,姚景龍
受保護的技術(shù)使用者：山東科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30