The peculiarities of the parallel implementation of Particle-In-Cell method

Метод частиц в ячейках широко используется для моделирования плазмы, в то время как графические процессоры представляются наиболее эффективным инструментом для проведения расчетов с помощью этого метода. В данной работе предлагается подход, позволяющий ускорить один из наиболее затратных по времени этапов в проведении расчетов по методу частиц в ячейках на графических ускорителях. Этот этап представляет собой переупорядочивание модельных частиц, или перераспределение их между ячейками сетки. Переупорядочивание модельных частиц позволяет обеспечить локальность данных, которая в первую очередь определяет эффективность реализации метода частиц в ячейках. В данной работе предлагается разделить переупорядочивание на два этапа. На первом этапе для каждой ячейки нужно собрать все модельные частицы, которые должны покинуть данную ячейку, в массивы, число которых равно количеству соседних ячеек (в трехмерном случае имеется 26 соседних ячеек). На втором этапе каждая из соседних ячеек копирует частицы из соответствующего массива рассматриваемой ячейки в ее собственный массив частиц. Так как второй этап может выполняться одновременно двадцатью шестью нитями без синхронизации и ожиданий, и при этом не используются критические секции, семафоры, мутексы, атомарные операции и другие подобные инструменты, то в результате время выполнения переупорядочивания сокращается более чем в 10 раз по сравнению с неоптимизированной реализацией переупорядочивания с использованием синхронизации.