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第一部分 并行性1

第1章 引言2

1.1 并行计算硬件2

1.2 并行应用5

1.3 软件和算法7

1.4 并行计算科学9

第2章 并行机体系结构10

2.1 单处理机体系结构10

2.2 并行体系结构17

2.3 并行体系结构的未来趋势27

2.4 小结28

第3章 并行编程面临的问题29

3.1 体系结构30

3.2 程序并行分解33

3.3 并行性能优化38

3.4 存储层次管理42

3.5 并行调试44

3.6 性能分析与调整45

3.7 并行I/O46

3.8 小结47

第二部分 并行应用49

4.1 一个简单例子的应用特征50

第4章 一般应用问题50

4.2 求解泊松方程的雅可比方法的通信结构52

4.3 一般计算格式的通信开销55

4.4 基本复合系统应用模型56

4.5 时间步进模拟和事件驱动模拟58

4.6 应用问题的时间结构59

4.7 基本复合系统并行模型小结60

4.8 元计算问题60

4.9 小结61

第5章 计算流体力学中的并行计算62

5.1 计算流体力学概述62

5.2 不可压流65

5.3 可压流89

5.4 小结97

第6章 环境和能源科学中的并行计算98

6.1 地下流建模99

6.2 IPARS和NetSolve网格计算103

6.3 IPARS的跟踪与交互式模拟105

6.4 地表水模拟107

6.5 利用ADR实现流体和输运耦合模拟110

6.6 小结112

第7章 并行计算化学：NWChem综述113

7.1 分子量子化学114

7.2 NWChem体系结构115

7.3 NWChem中的并行计算支撑模块117

7.4 NWChem中的化学相关模块120

7.5 NWChem在计算化学领域中的地位126

7.6 计算化学算法的共同特征127

7.7 小结130

第8章 应用综述132

8.1 数值广义相对论132

8.2 格子量子色动力学的数值模拟134

8.3 海洋建模139

8.4 地震模拟143

8.5 宇宙结构的形成147

8.6 计算电磁学153

8.7 数据挖掘中的并行算法156

8.8 信号和图像处理中的高性能计算164

8.9 确定型Monte Carlo方法及其并行化168

8.10 光子源拟实时X射线微成像实验173

8.11 基于WebHLA的部队建模与仿真元计算环境178

8.12 应用的计算结构188

8.13 小结194

第三部分 各种软件技术195

第9章 软件技术197

9.1 并行编程技术的选择198

9.2 如何获得正确和有效的执行208

9.3 小结209

10.1 消息传递编程模型211

第10章 消息传递和线程211

10.2 多线程编程218

10.3 小结222

第11章 并行I/O223

11.1 并行I/O框架224

11.2 MPI-IO228

11.3 并行I/O优化232

11.4 如何获得高的I/O性能235

11.5 小结240

第12章 编程语言与编译器241

12.1 自动并行242

12.2 高性能FORTRAN：数据并行编程243

12.3 OpenMP：共享存储并行编程247

12.4 Co-Array FORTRAN：SPMD编程251

12.5 支持技术256

12.6 发展趋势257

12.7 小结258

第13章 面向对象的并行库260

13.1 面向对象的并行库260

13.2 Java中的面向对象并行编程265

13.3 C＋＋多线程计算269

13.4 远程函数调用、全局指针和Java RMI272

13.5 基于组件的软件设计274

13.6 小结276

第14章 问题求解环境278

14.1 NetSolve：基于网络的解法器279

14.2 基于WebFlow对象的Web计算284

14.3 WebPDELab291

14.4 其他网格计算环境300

14.5 小结301

第15章 性能调整和程序调试工具302

15.1 正确性和性能监测的基本概念303

15.2 测试与调试实现上面临的问题307

15.3 编译器的高度集成309

15.4 软件工具的界面和使用311

15.5 软件工具实例313

15.6 面临的挑战和开放性问题318

15.7 小结318

第16章 二维泊松问题320

16.1 数学模型320

16.2 简单算法320

16.3 泊松方程的并行求解321

16.4 增加全局操作325

第四部分 关键技术与算法329

17.1 模板：并行软件的设计模式330

17.2 通信器和中性数据结构330

第17章 可重用的软件和算法330

17.3 标准的库和组件331

17.4 自动微分332

17.5 模板和数值线性代数332

17.6 小结333

第18章 高性能科学模拟的图剖分技术335

18.1 网格剖分与图336

18.2 静态图剖分技术337

18.3 自适应计算的负载平衡351

18.4 并行图剖分357

18.5 多约束和多目标图剖分358

18.6 小结365

第19章 网格生成368

19.1 网格生成的策略和技术368

19.2 网格生成过程和几何预处理372

19.3 自适应网格生成373

19.4 并行网格生成379

19.5 网格生成软件380

19.6 网格结构383

19.7 与网格生成有关的网址385

19.8 几何／网格生成的主要困难385

19.9 未来发展方向387

19.10 小结388

20.1 稠密线性代数算法389

第20章 模板和数值线性代数389

20.2 计算机体系结构对性能的影响392

20.3 稠密线性代数库395

20.4 稀疏线性代数方法400

20.5 稀疏直接法401

20.6 稀疏迭代法405

20.7 稀疏特征值问题410

20.8 小结422

第21章 可扩展的偏微分方程解法软件424

21.1 偏微分方程简介425

21.3 并行求解策略428

21.4 PETSc软件中并行求解偏微分方程的方法429

21.5 PDE软件441

21.6 小结442

第22章 并行连续最优化443

22.1 局部最优化444

22.2 全局最优化446

22.3 直接搜索方法450

22.4 相连子系统最优化452

22.5 变量与约束分布455

22.6 小结457

第23章 科学计算中的路径追踪及其在AUTO上的实现458

23.1 局部连续459

23.2 全局连续和度理论461

23.3 折叠和分歧462

23.4 实际的路径追踪方法464

23.5 分歧点处的分支选择466

23.6 计算实例：AUTO469

23.7 并行AUTO474

23.8 小结479

第24章 自动微分480

24.1 自动微分概述481

24.2 自动微分实现技术484

24.3 自动微分软件485

24.4 消息传递并行代码的自动微分486

24.5 自动微分的高级用法489

24.6 小结492

第25章 结论和未来发展方向494

25.1 计算资源494

第五部分 结论494

25.2 应用495

25.3 软件495

25.4 模板、算法和技术496

25.5 未来发展方向497

参考文献498

21.2 并行偏微分方程计算的难点525

术语表552

作者介绍560