【论文】基于OpenMP的磁壳参数L值并行计算研究

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辐射带研究中（L, B）坐标系把三维问题降为二维问题,大大提升了辐射带三维空间有限观测数据的利用率.L值是其中重要的参量之一,在粒子特性分析、航天器轨道辐射环境描述以及辐射带建模等研究领域应用十分广泛. L值由磁力线追踪积分计算而得,但地球磁场位型的复杂性导致磁力线追踪步长严格受限,造成单次追踪计算步数多.此外,不同空间位置处磁力线追踪路径和追踪距离随时空变化差异显著,造成多次L值计算之间相互独立、复杂度不一且无法简并,计算速度慢、效率低.为了提高L值的计算效率,本文采用OpenMP对目前广泛应用的L值计算程序实现单机多线程并行化,并分析了并行程序的加速比和效率.结果表明,并行后L值计算效率明显提高,当线程数量设置与系统最大线程数相等时（本文所用计算机系统线程数最大为8）,并行效果最优,加速比范围为1.57～2.81,并行效率范围为19.63%～35.13%.计算过程中发现,线程间负载不平衡是影响并行效果的主要因素.为了提高并行加速比和效率,本文提出了一种表征L值计算复杂度的排序因子,并基于此提出了排序和重分配（“sort”和“S”分配）的优化负载算法,对dynamic, sort+“S”, sort+dynamic, sort+“S”+dynamic四种方式优化负载不平衡的效果进行了比对分析,结果表明sort+dynamic的效果最优,加速比范围为2.33～3.30,效率为29.13%～41.25%,优化效率提升了6.12%～9.50%.本文研究表明, OpenMP可以成功实现L值计算程序的并行计算,并提高L值的计算效率,针对负载不平衡的问题,采用sort+dynamic方式调节可获得最好的并行加速比和效率,为空间物理或其他领域类似大数据分析研究中效率提升提供了有益探索.
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