STREAmS：一种用于可压缩湍流直接数值模拟的高保真加速求解器

我们提出 STREAmS，一种在图形处理单元（GPU）上进行可压缩湍流大规模、海量并行直接数值模拟（DNS）的自研高保真求解器。STREAmS 使用 Fortran 90 语言编写，专为可压缩壁面有界流的典型 DNS 而定制，即湍流平面槽道、零压力梯度湍流边界层以及超音速斜激波/边界层干扰。该求解器融合了最先进的数值算法，专门设计以应对高速湍流求解相关的挑战性问题，并可在从低亚音速到高超音速的广泛马赫数范围内使用。利用 cuf 自动内核实现了向 GPU 架构的简单高效移植，同时最小化了对原始 CPU 代码的改动，原 CPU 代码也得以保留。我们讨论了一种基于主机与设备重复数组的内存分配策略，该策略精心最小化内存使用，使求解器适用于最新 GPU 卡上的大规模计算。不同 CPU 与 GPU 架构间的比较强烈倾向于后者，在单个 NVIDIA Tesla P100 上运行该求解器相当于使用约 330 个 Intel Knights Landing CPU 核心。STREAmS 展现出非常好的强可扩展性和基本理想的弱可扩展性，可扩展至 2048 个 GPU，为真实高雷诺数 regime（可能摩擦雷诺数 $Re_{\tau} > 10^4$）下的模拟铺平了道路。该求解器以 GPLv3 许可证开源发布，可在 https://github.com/matteobernardini/STREAmS 获取。