[发明专利]射线水声传播模型的多核并行方法

说明书

本发明属于高性能计算与计算海洋声学交叉技术领域，尤其涉及射线水声传播模型的多核并行方法。通过性能分析工具分析射线水声模型的热点区域，针对射线水声模型的热点函数开展并行性分析，并设计多核并行策略，采用OpenMP编程模型实现射线水声模型的多核并行；本发明构建了射线水声传播模型的并行计算框架，有效提高射线水声传播声场计算的效率，面向多核CPU计算平台，针对典型海洋环境的声场计算，取得了60％以上的并行效率；为声呐性能预报、水下目标定位以及海洋环境参数反演等提供快速的声场计算模型。

技术领域

本发明属于高性能计算与计算海洋声学交叉技术领域，尤其涉及射线水声传播模型的多核并行方法。

背景技术

水声传播模型是对声音在海洋中传播规律的建模，当前主要的水声传播模型有简正波模型、抛物模型以及射线模型等，这些模型中，射线模型在某些情况下具有更加明显的优势，比如浅海环境下，当声源处于高频时，射线模型具有很好的适用性，尤其是深海条件下，无论是高频还是低频声源，射线模型都具有很好的适配性。然而随着声场计算海域范围的增大，以及射线数的增加，射线水声模型中声场计算需求呈线性增加，因此，射线水声模型的计算效率问题成为该模型在大规模声场计算应用中的瓶颈。随着计算机处理器向多核CPU发展，以及超级计算机硬件体系结构的飞速发展，都为射线水声模型的高效计算奠定了硬件基础。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供射线水声传播模型的多核并行方法，该方法构建射线水声传播模型计算的多核并行框架，能够有效提高射线水声传播声场计算的效率，为声呐性能预报、水下目标定位以及海洋环境参数反演等提供快速的声场计算模型。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

一种射线水声传播模型的多核并行方法，包括如下步骤：

步骤1，采用性能分析工具对射线水声模型串行代码进行分析，寻找射线水声模型串行计算中的热点函数，根据热点函数占总执行时间比例，利用并行理论，对并行加速比进行评估分析；

步骤2，对射线模型热点函数开展并行性分析，面向多核CPU计算架构，设计多核粗粒度并行策略；

步骤3，针对射线水声模型热点函数，采用OpenMP并行编程模型实现射线水声模型的多核并行。

对前述射线水声传播模型的多核并行方法的具体实施方案，所述步骤1具体包括：

1A、选择开源的性能分析工具gprof，对射线水声模型串行代码进行编译，设置-pg的编译选项，选取某个水声场计算算例，运行射线水声模型，通过gprof搜集性能数据；

1B、根据gprof性能分析工具分析结果，统计各个函数的执行时间信息，聚焦热点函数，所述热点函数是指执行时间占主要的函数；

1C、假设射线水声传播模型串行执行的总时间为T，热点函数执行时间为B，则非热点函数执行时间为T-B，假设使用N个CPU对热点函数部分进行并行，则可预估射线水声传播模型的理想加速比：

对前述射线水声传播模型的多核并行方法的具体实施方案，所述步骤2具体包括：

2A.根据上一步骤并行性分析，结合采用多核并行方法，设计粗粒度多核并行策略，包括将并行应用在射线的循环层，每个线程负责相同数量射线的处理，不同线程之间并行执行，线程内的射线串行地被处理。

对前述射线水声传播模型的多核并行方法的进一步改进或具体实施方案，步骤3具体步骤包括：

3A.分析并行区域中使用的变量的属性，确定各变量是私有属性还是共享属性，在编译指导语句中注明共享变量以及私有变量；