Наука. Общество. Оборона (noo-journal.ru). - 2019. - № 3 (20)

DOI: 10.24411/2311-1763-2019-10203

Аннотация

Рассмотрен параллельный алгоритм математической модели взаимодействия заряженного малого спутника и тепловой космической плазмы. Основной проблемой при реализации алгоритма является постоянное поддержание всего объема данных для каждого вычислителя в актуальном состоянии, а также синхронизация и минимизация обменов. Выбор графических ускорителей для расчета позволяет сфокусировать максимальное количество вычислителей на одном узле. Проблемы синхронизации решаются на уровне потоков процессора. Полученный алгоритм сложен в реализации, но наиболее эффективно использует вычислительные ресурсы для решения задачи, легко масштабируется для гибридных вычислений и имеет потенциал роста при использовании MPI+CUDA+CPU threads гибридной модели программирования. 

Ключевые слова: 

 математическое моделирование, метод молекулярной динамики,

параллельное программирование, гибридные вычисления

Summary

This article considers a parallel algorithm of the mathematical model of interaction between a charged small satellite and thermal space plasma. The main problem of the algorithm implementation is to maintain the total amount of current data for each calculator and to synchronize and minimize exchanges. The range of graphics accelerators chosen for calculation makes it possible to focus the maximum number of calculators on a single node. Synchronization problems are solved at the level of processor threads. The resulting algorithm is difficult to implement; however, it shows the most efficient use of computing resources in solving the problem, can be easily scaled for hybrid computing, and has great potential when using the MPI + CUDA + CPU threads of a hybrid programming model. 

Keywords: 

 mathematical modeling, molecular dynamics method,

parallel programming, hybrid computing

Список литературы и источников

1. Mandell M.J., Katz I., Hilton M. et al. Nascap-2K spacecraft charging models: algorithms and applications. - 2001: A spacecraft charging odyssey. Proceeding of the 7th Spacecraft Charging Technology Conference. 23—27 April 2001. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. ESA SP-476. P. 499—507
2. Roussel J.-F. et al., SPIS open-source code: Methods, capabilities, achievements, and prospects. IEEE Trans. Plasma. Sci., vol. 36, no. 5, pp.2360-2368, 2008
3. Котельников В.А. Математическое моделирование обтекания тел потоками столкновительной и бесстолкновительной плазмы., В.А. Котельников, М.В. Котельников, В.Ю. Гидаспов - М.: Физматлит, 2010. - 272 с.
4. Рылина И.В., Зинин Л.В., Григорьев С.А., Веселов М.В., Гидродинамический подход к моделированию распределения тепловой плазмы вокруг движущегося заряженного спутника. - Космические исследования. 2002. Т. 40. № 4. С. 395-405
5. Зинин Л.В., Ишанов С.А., Шарамет А.А., Мациевский С.В. Моделирование распределения ионов вблизи заряженного спутника методом молекулярной динамики. 2-D приближение. - Вестник БФУ им. И. Канта. Сер. Физико-математические науки. 2012. Вып. 10. С. 53 – 60.
6. Шарамет А.А., Зинин Л.В. Ишанов С.А., Мациевский С.В. 2D моделирование ионной тени за заряженным спутником методом молекулярной динамики. - Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2013. Вып. 10. С. 26—30.
7. Зинин Л. В., Шарамет А.А., Ишанов С.А., Мациевский С.В Моделирование траекторий электронов и ионов тепловой плазмы в электрическом поле спутника методом молекулярной динамики. - Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2014. № 10. С. 47-52.
8. Зинин Л.В., Шарамет А.А., Васильева А.Ю. Моделирование взаимодействия кислородной плазмы с положительно заряженным микроспутником методом молекулярной динамики. - Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия физико-математические и технические науки. 2017. № 2. С. 29-34.
9. Зинин Л.В., Шарамет А.А., Васильева А.Ю. Моделирование формирования ионной тени за положительно заряженным микроспутником в кислородной плазме методом молекулярной динамики. - Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2017. № 3. С. 48—52.
10. Шарамет А.А. Моделирование взаимодействия спутника и плазмы методом молекулярной динамики с использованием гетерогенных вычислительных систем на основе MPI, CUDA, C++11(thread) технологий. - Шестая международная молодёжная научно-практическая школа «Высокопроизводительные вычисления на GRID системах», Архангельск, 9-14 февраля 2015г.  Сборник статей. Издательство «КИРА». -с.54-58
11. Шарамет А.А. Применение гетерогенных вычислений на примере задачи моделирования взаимодействия спутника и плазмы методом молекулярной динамики. - Шестая международная молодёжная научно-практическая школа «Высокопроизводительные вычисления на GRID системах», Архангельск, 9-14 февраля 2015г.  Сборник тезисов. Издательство «КИРА». -с.32-36
12. Шарамет А.А. Алгоритм и модель хранения данных при решении задачи взаимодействия спутника и плазмы методом молекулярной динамики с использованием технологии cuda. - Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2015. № 4. С. 114 - 120.

References

1. Mandell M.J., Katz I., Hilton M. et al., 2001, Nascap-2K spacecraft charging models: algorithms and applications. - 2001: A spacecraft charging odyssey. Proceeding of the 7th Spacecraft Charging Technology Conference. 23—27 April 2001. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. ESA SP-476. P. 499—507
2. Roussel J.-F. et al., 2008, SPIS open-source code: Methods, capabilities, achievements, and prospects. IEEE Trans. Plasma. Sci., vol. 36, no. 5, pp.2360-2368, 2008
3. Kotel'nikov, V.A., 2010, Matematicheskoye modelirovaniye obtekaniya tel potokami stolknovitel'noy i besstolknovitel'noy plazmy., V.A. Kotel'nikov, M.V. Kotel'nikov, V.YU. Gidaspov - M.: Fizmatlit, 2010. - 272 s.
4. Rylina I.V., Zinin L.V., Grigor'yev S.A., Veselov M.V., 2002, Gidrodinamicheskiy podkhod k modelirovaniyu raspredeleniya teplovoy plazmy vokrug dvizhushchegosya zaryazhennogo sputnika. - Kosmicheskiye issledovaniya. 2002. T. 40. № 4. S. 395-405
5. Zinin L.V., Ishanov S.A., Sharamet A.A., Matsiyevskiy S.V., 2012, Modelirovaniye raspredeleniya ionov vblizi zaryazhennogo sputnika metodom molekulyarnoy dinamiki. 2-D priblizheniye. - Vestnik BFU im. I. Kanta. Ser. Fiziko-matematicheskiye nauki. 2012. Vyp. 10. S. 53 – 60.
6. Sharamet A.A., Zinin L.V. Ishanov S.A., Matsiyevskiy S.V., 2013, 2D modelirovaniye ionnoy teni za zaryazhennym sputnikom metodom molekulyarnoy dinamiki. - Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. 2013. Vyp. 10. S. 26—30.
7. Zinin L. V., Sharamet A.A., Ishanov S.A., Matsiyevskiy S.V., 2014, Modelirovaniye trayektoriy elektronov i ionov teplovoy plazmy v elektricheskom pole sputnika metodom molekulyarnoy dinamiki. - Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. 2014. № 10. S. 47-52.
8. Zinin L.V., Sharamet A.A., Vasil'yeva A.YU., 2017, Modelirovaniye vzaimodeystviya kislorodnoy plazmy s polozhitel'no zaryazhennym mikrosputnikom metodom molekulyarnoy dinamiki. - Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Seriya fiziko-matematicheskiye i tekhnicheskiye nauki. 2017. № 2. S. 29-34.
9. Zinin L.V., Sharamet A.A., Vasil'yeva A.YU., 2017, Modelirovaniye formirovaniya ionnoy teni za polozhitel'no zaryazhennym mikrosputnikom v kislorodnoy plazme metodom molekulyarnoy dinamiki. - Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Ser.: Fiziko-matematicheskiye i tekhnicheskiye nauki. 2017. № 3. S. 48—52.
10. Sharamet A.A., 2015, Modelirovaniye vzaimodeystviya sputnika i plazmy metodom molekulyarnoy dinamiki s ispol'zovaniyem geterogennykh vychislitel'nykh sistem na osnove MPI, CUDA, C++11(thread) tekhnologiy. - Shestaya mezhdunarodnaya molodozhnaya nauchno-prakticheskaya shkola «Vysokoproizvoditel'nyye vychisleniya na GRID sistemakh», Arkhangel'sk, 9-14 fevralya 2015g.  Sbornik statey. Izdatel'stvo «KIRA». -s.54-58
11. Sharamet A.A., 2015, Primeneniye geterogennykh vychisleniy na primere zadachi modelirovaniya vzaimodeystviya sputnika i plazmy metodom molekulyarnoy dinamiki. - Shestaya mezhdunarodnaya molodozhnaya nauchno-prakticheskaya shkola «Vysokoproizvoditel'nyye vychisleniya na GRID sistemakh», Arkhangel'sk, 9-14 fevralya 2015g.  Sbornik tezisov. Izdatel'stvo «KIRA». -s.32-36
12. Sharamet A.A., 2015, Algoritm i model' khraneniya dannykh pri reshenii zadachi vzaimodeystviya sputnika i plazmy metodom molekulyarnoy dinamiki s ispol'zovaniyem tekhnologii cuda. - Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Ser.: Fiziko-matematicheskiye i tekhnicheskiye nauki. 2015. № 4. S. 114 - 120.

Наука. Общество. Оборона (noo-journal.ru). - 2019. - № 3 (20)