High Performance Computing in Science and Engineering ' 04 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Krause, E.

出品人:

页数:454

译者:

出版时间:

价格:$ 145.77

装帧:HRD

isbn号码:9783540229438

丛书系列:

图书标签:

高性能计算
科学计算
工程计算
并行计算
数值分析
计算机科学
应用数学
HPC
科学工程
计算方法

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具体描述

This book presents the state-of-the-art in modelling and simulation on supercomputers. Leading German research groups present their results achieved on high-end systems of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) for the year 2004. The reports cover all fields of computational science and engineering ranging from computational fluid dynamics via computational physics and chemistry to computer science. Special emphasis is given to industrially relevant applications. Presenting results for both vector-systems and micro-processor based systems the book allows to compare performance levels and usability of a variety of supercomputer architectures. In the light of the success of the Japanese Earth-Simulator this book may serve as a guide book for a US response. The book covers the main methods in high performance computing. Its outstanding results in achieving highest performance for production codes are of particular interest for both the scientist and the engineer. The book comes with a wealth of coloured illustrations and tables of results.

现代科学计算的基石：复杂系统模拟与高性能架构的深度融合本书汇集了当前科学与工程领域尖端计算方法论的最新研究成果与实践经验，聚焦于如何利用日益强大的高性能计算（HPC）资源来解决那些传统计算范式无法企及的复杂问题。全书内容紧密围绕大规模数据处理、先进数值算法优化、新型并行计算模型构建这三大核心支柱展开，旨在为跨学科研究人员提供一套系统化、前沿化的计算工具箱和思维框架。第一部分：面向前沿科学的数值方法革新本部分深入探讨了在处理极端尺度（从亚原子到宇宙尺度）和高维度数据时，现有数值方法的局限性及新兴的替代方案。重点关注那些要求极高计算精度和稳定性的领域。 1.1 随机过程与蒙特卡洛方法的现代演进：我们首先分析了经典蒙特卡洛（MC）方法在收敛速度上的固有瓶颈。接着，详细阐述了准蒙特卡洛（QMC）方法的理论基础及其在金融建模、辐射输运和量子化学计算中的应用。书中特别展示了Markov Chain Monte Carlo (MCMC) 方法在贝叶斯推断中的最新改进，例如汉密尔顿-蒙特卡洛（HMC）算法如何通过引入梯度信息，显著提升了在高维概率空间中的采样效率。此外，针对异构计算环境，我们设计了一种基于GPU加速的并行重要性采样框架，用以加速极端事件模拟。 1.2 非线性偏微分方程的稳健求解器：复杂物理现象，如湍流、多相流、材料断裂，本质上由高度非线性的偏微分方程（PDEs）所描述。本章着重介绍了无网格方法（Meshless Methods），特别是光滑粒子流体动力学（SPH）和径向基函数（RBF）方法，如何在处理大变形和自由表面问题时，避免传统网格方法的网格畸变问题。针对这些高维非线性系统，我们详细剖析了多尺度建模（Multiscale Modeling）的最新进展，包括焦平面（Asymptotic Decoupling）技术和基于信息的子网格模型，它们有效地将计算成本限制在了关键的局部区域。 1.3 稀疏代数与迭代解算器的性能瓶颈：在处理大型有限元或有限体积模型时，会产生海量的非结构化、高度稀疏的线性系统。本节聚焦于如何高效地求解 $Ax=b$。我们不仅回顾了经典的Krylov子空间方法（GMRES, BiCGSTAB），更侧重于预条件子（Preconditioners）的构建艺术。书中详细演示了代数多重网格（AMG）方法在结构化和非结构化网格上的适应性策略，以及针对特定物理问题的代数预处理技术，例如基于矩阵重构的块预条件子设计。所有算法的实现均考虑了内存访问模式优化，以最大限度地提高片上缓存的利用率。第二部分：异构计算架构下的并行范式转移高性能计算的进步越来越依赖于对硬件特性的深度挖掘。本部分从架构角度出发，探讨了现代CPU、GPU以及新型加速器之间的协同工作机制，并提出了适应这些异构环境的编程模型。 2.1 深入理解现代内存层次结构与访存优化：计算性能的瓶颈已从纯粹的浮点运算能力（FLOPS）转移到内存带宽与延迟。本章通过详尽的微基准测试分析，揭示了不同CPU缓存（L1, L2, L3）的实际访问延迟和容量对算法性能的影响。我们提出了针对稀疏矩阵乘法和图遍历算法的“数据感知”重排技术，通过数据局部性分析，动态调整数据加载顺序，以最大化缓存命中率，减少对DRAM的访问次数。 2.2 GPU通用计算（GPGPU）的高效编程实践： CUDA和OpenCL编程模型已成为科学计算的主流工具。本节超越了基础的核函数（Kernel）编写，专注于线程束（Warp）级优化、共享内存的精细控制以及异步内存拷贝的策略应用。特别地，我们引入了内存合并（Coalesced Memory Access）的深入指导，并演示了如何通过精心设计的“数据平铺”策略，将大规模计算分解为多个可以完全在片上缓存完成的子任务，从而实现接近理论峰值的吞吐量。 2.3 任务级并行与大规模分布式计算：当问题规模超出单节点能力时，分布式并行变得至关重要。本部分详细介绍了MPI（Message Passing Interface）在大规模集合通信（Collective Communications）中的效率优化，特别是All-to-All和Reduce-Scatter操作的拓扑感知实现。此外，我们探讨了基于抽象模型（如Charm++ 或 OmpSs）的任务级并行框架，这些框架允许研究人员以更高级的抽象描述依赖关系，从而使运行时系统能更智能地调度跨越数千个节点的计算任务。第三部分：从数据到洞察：机器学习与物理模型的融合新兴的人工智能技术正在与传统科学计算方法进行深刻的交叉融合。本部分关注如何利用机器学习加速模拟过程、替代昂贵的前端计算或从仿真数据中提取物理洞察。 3.1 降维技术与数据驱动的模型简化：高维模拟产生的数据集往往包含冗余信息。本章重点介绍了本征正交分解（POD）和拓扑数据分析（TDA）在提取系统低维本征模式中的应用。我们展示了如何利用这些方法，从全波形数据中识别出主导的动力学模式，并构建出低阶、可实时求解的降阶模型（Reduced-Order Models, ROMs），极大地加快了参数扫描和实时控制的效率。 3.2 物理信息神经网络（PINNs）的结构设计： PINNs代表了将微分方程约束直接编码进神经网络损失函数的革命性方法。我们详细分析了PINNs在处理边界条件和不完整观测数据时的优势与挑战。书中提供了一套针对时间依赖性问题的自适应时间步长策略，该策略结合了残差的梯度信息，确保了网络在物理定律未得到满足的区域能进行更精细的学习，同时在平稳区域保持计算效率。 3.3 大规模科学数据集的可视化与交互式分析：最终的计算结果必须以可理解的形式呈现。本节讨论了体数据（Volumetric Data）的高效处理。我们介绍了一种基于GPU的渲染技术，该技术利用光线步进和分层数据结构（如八叉树），实现了对TB级模拟结果的实时、高保真交互式可视化，使用户能够在数百万个计算单元的模拟空间中即时探索流场、应力分布或电磁场结构。本书提供的理论框架和实战案例，旨在推动科学计算研究者超越现有工具的限制，充分释放未来高性能计算平台的潜力，以期解决人类面临的最为艰巨的计算科学挑战。