提出了一种基于图形处理器(GPU)并行加速双能计算机层析成像(CT)重建的整体解决方法。该方法通过将双能采样数据视角配准步骤整合到基本的双能CT重建过程中,保证了双能投影分解的准确性,从而提高了双能CT重建的准确性。通过在反投影步骤中同时反投影几种图像,避免重复计算投影地址,并且在整体重建过程的各个步骤中采用GPU并行方式进行计算,有效提高了双能CT的重建速度。重建图像为2种和4种时,与重复执行多次单能CT并行重建相比,本文方法的重建过程加速比分别为1.88和3.24,其中最耗时反投影步骤加速比分别为1.90和3.66。实验和实际应用证明了该方法可有效提高双能CT重建的准确性和速度。

为加速基于离散纵标方法(SN)的中子输运计算, 针对群内迭代进行研究并实现了分流再平衡(PCR)算法及基于区域分解的并行, 并在加速方程求解时进一步耦合了算术多重网格算法。并行PCR算法已集成至JSNT软件, 并针对临界和外源计算典型算例验证了算法的正确性和有效性。74亿自由度的国内某商业压水堆压力容器屏蔽计算中, JSNT迭代次数减少至原来的1/3以下, 总体计算时间减少至原来的1/2以下, 1024核并行效率达42.8%。

提出了计算机图形处理器(GPU)加速的光学航空影像正射校正并行算法, 以满足获取光学航空影像对实时性的要求并提高对海量影像数据在CPU上串行正射校正的效率。介绍了光学影像正射校正算法原理以及正射校正算法的并行化处理。为减少GPU执行的计算负载, 引入“有效像素区域”概念, 设计了改进的GPU并行校正算法。通过配置选择以及存储器访问优化进一步提高了算法的执行效率。最后, 分析了GPU并行算法的精度, 并验证了噪声干扰对算法的影响。实验结果表明, 优化的改进GPU并行算法显著提高了正射校正的速度, 影像大小为5 000×5 000时, 加速比最高可达CPU串行算法的223倍以上。虽然GPU单精度计算和噪声干扰会使影像校正精度有所下降, 但尚在误差允许范围之内。该算法能够快速实现光学航空影像的正射校正, 校正后的影像满足实际应用需要。

使用并行算法(简称Z分法)Fortran编程计算获取海森堡模型位型［N,k］ (N为海森堡链总格点数, k为格点中自旋向上的电子数)最小本征值的最短时间。使用置换群方法产生模型的能量矩阵, 将能量矩阵对角化所得到的本征值构成数据群,采用Z(Z=1,2…)分法Fortran编程计算获得群中 最小数据的最短(或最长)时间。结果表明：同一位型［N,k］, 使用2分法获取模型位型［N,k］最小 本征值的时间最长,而不等分或满等分(此时Z=1或位型［N,k］的矩阵维数)时的时间最短且二者相等;对于不同位型［N,k］, 当N(k)同, k(N)增大且Z相同时,获取模型最小本征值的最短时间增加。

为了提高超声弹性成像计算速度 , 提出使用 GPU硬件加速基于互相关技术和相位零估计的弹性成像技术。先描述这两种弹性成像技术的实现细节及特点 , 然后分析这两种技术的计算密集操作部分的并行化计算可能性 , 最后通过 GPU程序开发工具 ArrayFire实现了基于 GPU的互相关和相位零估计的超声弹性成像技术。通过模拟和扫描仿真人体组织的弹性成像体模获得的压缩前后数据帧对基于 GPU的超声弹性成像方法进行测试与验证。实验结果表明, 基于GPU的方法可以大幅提高弹性图计算速度 , 在处理单帧弹性图条件下 , 与基于互相关方法比较 , 加速比达到 42×, 而基于相位零估计的方法在提高数据吞吐量的情况下加速比可达到 65×。

为了更好地实现对大尺度器件的模拟, 以及更系统地验证和解决高功率微波系统在设计和实验中负载变化等影响, 在进一步深入研究电磁PIC并行算法的基础上, 运用MPI消息传递函数做出了改进。提出了一种整体建模、分段解析的并行算法, 并从并行时序算法入手, 通过减少一次同步提高了计算的效率。最后经过一个磁绝缘线振荡器进行验证, 改进的算法正确, 并且当计算进程数4个增加到16个时, 计算速度能提高2.5倍左右。

针对普通并行算法的缺点，给出了连接体与分段建模的基本理论，提出了一种基于分段建模、系统整体模拟的并行电磁模拟计算方法，基于FDTD-PIC方法和消息传递机制在CHIPIC软件中实现了这一算法。并通过一个磁绝线振荡器加天线的简单系统验证了分段建模和解析的正确性，并通过对其的模拟和调试得到了天线系统输出的最大的功率6.2 GW，证实了此算法的可行性。

提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法, 改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明, 由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关, 只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法, 应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟, 模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。

为研究强激光电离氢原子团簇, 在理论上采用1维氢原子团簇的经典粒子动力学模型, 结合粒子对(PP)算法及粒子模拟(PIC)方法, 采用自行搭建的9节点并行集群系统, 利用消息传递接口(MPI)与OpenMP混合编程模型进行了并行数值模拟计算, 获得了较为理想的计算加速比。并且引入了弛豫时间参数, 有效地处理了粒子间的碰撞过程, 在极大简化计算量的同时, 保留了物理本质。所得模拟结果与已有的实验结果符合较好, 表明该并行计算模型是稳定、可行的。