CN100595773C

CN100595773C - 模拟器系统

Info

Publication number: CN100595773C
Application number: CN200680000779A
Authority: CN
Inventors: 佐藤哲也; 渡边国彦; 平野哲
Original assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INS
Current assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INS; Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: JPWO2006077911A1; CN101019124A; US20070282587A1; JP4879017B2; WO2006077911A1

Abstract

提供一种模拟器系统，利用该系统可以在宏观层和微观层上执行时间和/或空间变化事件的模拟。该模拟器系统包括：上层处理器和下层处理器，分别用于执行不同尺度的上层和下层的模拟处理；连接这些层处理器的扩程器；包含分配器的集成处理系统，分配器分割模拟程序以分配到各自的层处理器；和数据存储单元，其中扩程器有连接到上层处理器的上层控制单元和连接到下层处理器的下层控制单元，上层控制单元和下层控制单元有可以互相交换信息的结构。利用每层中的模拟结果作为在另一层中模拟的信息。

Description

模拟器系统

技术领域

[0001]本发明涉及用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统。具体地说，本发明涉及用于分级联锁模拟的模拟器系统，其中模拟不同尺度的两个分级或两个分层构成的整个模拟目标系统，例如，它们的时间尺度和空间尺度中之一或二者的比率至少为100,000倍。

背景技术

[0002]进行模拟的目的是为了寻找时间变化事件，空间变化事件或时间和空间变化事件或现象的原因或预期在未来出现的情况，或任何其他的目的，例如，诸如极光的自然现象，或人为产生的现象。

至今，实施模拟的模拟器系统基本上是由仅仅进行单层模拟处理的计算机系统构成。

发明内容

[00031然而，由单个计算机系统构成的模拟器系统不能在宽广分隔的各层上充分地进行模拟处理，具体地说，例如，在实际空间尺度至少是100,000倍的各层上进行模拟，因为构成这种模拟器系统的计算机系统的硬件容量或功率是有限的。例如，当一个具体或奇特现象在宏观尺度上发生模拟处理时，它不能同时在微观尺度上对该具体现象本身或其影响进行模拟处理。所以，出现这样一个问题，需要大量的时间和精力以得到某个事件的充分模拟结果。

[0004]另一方面，为了利用单个计算机系统执行宽广分隔各层的模拟处理，它们的尺度至少相差100,000倍，我们需要一种超大规模的计算机系统。然而，由于存在称之为“量子限制”和其他限制的约束，实际构造这种高级计算机系统是极其困难的，且其成本也是极其昂贵的，因此，这种处理是不实际的。

[0005]本发明是在上述情况的基础上实现的，其目的是提供一种用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统，利用该系统执行尺度不同的上层和下层的模拟处理，利用每层的模拟结果作为另一层的模拟信息，因此，可以在宏观尺度和微观尺度上并行地完成事件的模拟，以便在宽广分隔的各层上执行模拟。

[0006]按照本发明的模拟器系统是一种用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统，该系统包括：

上层处理器和下层处理器，分别用于执行尺度互相不同的上层和下层的模拟处理；

连接上层处理器和下层处理器的扩程器(multiplier)；

包含分配器并且控制整个模拟的集成处理系统，在控制有关模拟目标事件的事件法则体系的基础上，分配器把模拟程序静态分割成上层程序和下层程序，并分别分配它们到上层处理器和下层处理器；和

数据存储单元，用于存储模拟处理得到的数据，

其中上层处理器和下层处理器都是由计算机系统构成，和

其中扩程器有连接到上层处理器的上层控制单元和连接到下层处理器的下层控制单元，且上层控制单元和下层控制单元有这样的结构，可以互相交换各自的信息。

[0007]或者，按照本发明的模拟器系统是一种用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统，该系统包括：

多个层处理器，分别用于执行尺度互相不同的至少三层的模拟处理；

扩程器，用于互相连接所述至少三层中与互相相邻的两层有关的上层处理器和下层处理器；

数据存储单元，用于存储模拟处理得到的数据，

其中多个层处理器都是由计算机系统构成，和

[0008]在上述模拟器系统中，上层控制单元和下层控制单元有这样的结构，通过选自层间共用存储器，远程直接存储器存取单元，总线和高速LAN的通信系统，可以互相交换信息。

[0009]在上述模拟器系统中，可以分别在上层处理器和下层处理器中同时执行不同模拟模型的模拟处理。

[0010]此外，模拟器系统可以有这样的结构，

当选取类型信息的变化程度已超过在上层处理器中预设的水平时，包含所述变化的上层信息是从上层处理器被转移到下层控制单元，

继续执行上层处理器的模拟处理，以及与此同时，在信息被转移到下层处理器的下层控制单元的基础上，从下层控制单元发出一个命令到下层处理器以执行下层的模拟处理，该命令是按照对应于以上变化的模拟模型开始执行模拟处理。

[0011]此外，模拟器系统可以有这样的结构，

当选取类型信息的变化程度已超过在下层处理器中预设的水平时，包含所述变化的下层信息是从下层处理器被转移到上层控制单元，

继续执行下层处理器的模拟处理，以及与此同时，在信息被转移到上层处理器的上层控制单元的基础上，从上层控制单元发出一个命令到上层处理器以执行上层的模拟处理，该命令是按照对应于以上变化的模拟模型开始执行模拟处理。

[0012]此外，在上述模拟器系统中，当选取类型信息的变化程度已超过在上层处理器或下层处理器中预设的水平时，优选的是，可以仅仅执行在上层处理器或下层处理器中执行模拟处理过程中的中途信息转移。

[0013]此外，优选的是，被转移到上层处理器的信息和被转移到下层处理器的信息可以接受对应于在上层处理器或下层处理器中执行的模拟程序的信息内容减少处理。

[0014]此外，在上述模拟器系统中，在上层处理器中被执行模拟处理的层尺度至少可以是在下层处理器中被执行模拟处理的层尺度的100,000倍。

[0015]按照本发明的模拟器系统，分级联锁模拟器的结构包括：上层处理器，下层处理器和扩程器，而这个模拟器是由集成处理系统运行，因此，时间和/或空间变化事件被当作模拟目标事件，整个系统被分割成尺度至少相差100,000倍的两层或三层或更多的多层以执行每层的模拟处理，所以，可以完成整个模拟目标事件系统的充分模拟。

此外，按照本发明的模拟器系统，处理器有不同和分级的安排并被集成，因此，可以提供一种能够满足不同目的的模拟器系统。

[0016]在按照本发明的模拟器系统中，可以分别在上层处理器和下层处理器中同时执行不同模拟模型的模拟处理，因此，可以在时间上高效率执行预期的模拟。

[0017]此外，在控制有关时间和/或空间变化事件的事件法则体系的基础上，模拟程序被分割成上层程序和下层程序，且它们分别被分配到上层处理器和下层处理以执行模拟处理，因此，在不同法则体系的基础上，可以并行地执行模拟处理，因此，可以在时间上高效率执行预期的模拟。

[0018]此外，若在任何一个层处理器中发生超过预设水平的信息变化，则在这个信息的基础上，提供该层中包含所述变化的信息到另一个层处理器以执行模拟处理，因此，可以得到对应于该事件复杂变化的合成模拟结果。

仅当选取类型的信息的变化程度已超过任何的层处理器中预设的水平时，可以执行在所述层处理器中执行模拟处理过程中的中途信息转移。因此，可以确保所需信息的转移，并省略多余信息的转移，所以，可以整体减少被转移的信息量，从这一点考虑，各个层处理器和层控制单元等可以是小容量的层处理器和层控制单元。

[0019]此外，从一个层处理器被转移到另一个层处理器的信息接受对应于另一个层处理器中被执行的模拟程序的信息内容减少处理，因此，可以减少被转移的信息量，所以，从这一点考虑，各个层处理器和层控制单元可以是小容量的层处理器和层控制单元。

[0020]若两层中的上层尺度至少是下层尺度的100,000倍，则按照本发明的模拟器系统是特别有用的，因为可以低成本构造一种用于执行模拟目标事件的预期模拟的系统。

附图说明

[0021]图1是按照本发明一个实施例模拟器系统的整个结构方框图，其中模拟目标事件是宏观层和微观层的两层模拟处理。

图2是在图1所示的模拟器系统中整个模拟处理的流程方框图。

图3表示在模拟目标事件是极光情况下宏观层上的磁流体动力模拟。

图4表示在模拟目标事件是极光情况下微观层上的粒子模拟，其中右图是这个事件中的电子动作，而左图是电子的能量分布。

图5表示在时间基础上的微观模拟与宏观模拟之间的信息交换模式。

具体实施方式

符号说明

[0022]

101：集成处理系统

102：上层处理器

103：扩程器

104：下层处理器

105：数据存储单元

111：配置控制机构

112：编译器

113：分配器

114：调度器

115：诊断信息机构

131：上层控制单元

132：层间共用存储器

133：下层控制单元

[0023]以下，详细地描述按照本发明的模拟器系统。

图1是按照本发明一个实施例模拟器系统的整个结构方框图，其中模拟目标事件是宏观层和微观层的两层被模拟处理，而图2是在图1所示模拟器系统中整个模拟处理的流程方框图。

[0024]如图1所示，这个模拟器系统的结构包括：集成处理系统101，连接到集成处理系统101的扩程器103，和连接到这个扩程器103的大容量数据存储单元105。连接到扩程器103的是用于完成宏观层(上层)模拟处理的上层处理器102和用于完成微观层(下层)模拟处理的下层处理器104。

[0025]集成处理系统101的作用是控制整个模拟器系统，它的结构包括：配置控制机构111，用于控制整个模拟器系统的配置；编译器112，用于编译作业的源码；分配器113，用于分割对应于该作业的模拟程序并分配它们到上层处理器102和上层处理器104；调度器114，用于控制整个模拟器系统的调度；和诊断信息机构115，可以收集用于诊断整个模拟器系统的信息。

[0026]扩程器103是一种用于连接上层处理器102和下层处理器104并控制它们的装置，在这个实施例中，扩程器103的结构包括：上层控制单元131，下层控制单元133，和共同连接到上层控制单元131和下层控制单元133的层间共用存储器132。

[0027]参照图2描述这个模拟器系统的运行。

集成处理系统101中的分配器113把输入的模拟程序静态分割成上层程序和下层程序，并分配编译器112进行编译得到的装配模块到扩程器103中的上层控制单元131和下层控制单元133，用于进行各层之间的连接和控制。此外，静态分配上层处理器102和下层处理器104中进行模拟处理所需的计算资源。

[0028]以下描述的一种情况作为例子，其中上层处理器首先执行模拟处理。

分配给上层控制单元131的程序被发送到上层处理器102，并从上层控制单元131接收执行命令。例如，当模拟系统用户所选取类型信息的变化程度已超过在执行该程序时的预设水平(阈值)时，上层处理器102检测该变化并把数据通知上层控制单元131，该数据指出包含这个变化的信息存储位置和类型。上层控制单元131根据这个信息从上层处理器102中取出数据并把它存储在层间共用存储器132，和把层间共用存储器132中的信息存储位置和类型通知下层控制单元133。

[0029]下层控制单元133动态分配计算资源到下层处理器104，从层间共用存储器132中转移数据到下层控制单元133，并命令下层处理器104执行用于转移上层信息的下层程序，从而执行该下层程序。与此同时，上层处理器102继续执行原始的上层程序。当它检测到另一个类型的信息已超过预设水平时，这个上层处理器102执行与以上描述相同的处理，而下层控制单元133命令下层处理器104执行用于转移上层的所述另一个信息的下层程序，从而执行该下层程序。

[0030]例如，当以上模拟系统用户所选取类型信息的变化程度已超过按照下层程序执行模拟时的预设水平(阈值)时，下层处理器104检测该变化以完成信息内容减少处理，例如，上层处理器102利用统计方法的数据集约处理，并把数据通知下层控制单元133，该数据指出这个信息的存储位置和类型。下层控制单元133根据这个信息从下层处理器104中取出数据，并把它存储在共用存储器132，并把在层间共用存储器132中信息的存储位置和类型通知上层控制单元131。

[0031]上层控制单元131从层间共用存储器132中转移数据到上层控制单元131，并命令上层处理器102执行按照转移上层信息的上层程序的模拟。如果需要，上层控制单元131动态分配计算资源到上层处理器102并命令它执行另一个程序。

[0032]以下具体地描述这样一种情况，其中极光-弧形成的现象作为模拟目标事件进行模拟。

在磁性层与电离层之间的空间中，在100,000km空间尺度和几千秒时间尺度上的宏观相互作用产生带状电流。然而，仅仅产生这些电流不可能产生极光-弧形成的现象，因为作为粒子的电子动能是很低的。

然而，当超过某个阈值的局部电流出现在电离层附近时，电子和/或离子的几十厘米和0.1微秒数量级的粒子运动可以造成微观层的不稳定性，从而产生加速电子的很大电场。因此，被加速的电子在电离层内与氮和氧的分子和原子发生碰撞而产生弧，从而导致出现极光现象。由于这种碰撞的结果，氮和氧的分子被电离，从而改变电离层的条件，而这种变化也使电离层和磁性层的宏观层相互作用条件发生变化。因此，宏观层的电流分布发生变化，从而也改变微观条件。如上所述，宏观层和微观层，以及各自的相互作用是密切相关的，从而产生极光现象。

[0033]具体地说，如图3所示，太阳风的等离子体流在箭头所示的磁性层中产生等离子体流，而在磁性层和电离层中的这个等离子体流在沿地球磁力线的方向上引起宏观相互作用。在这部分的现象中，需要进行称之为磁流体动态模拟的宏观流体模拟。

[0034]在检测到这样一个区域时，其中电离层附近的电流值产生的最大值至少相当于电子热速度的预设电流比例，例如，至少70％，在这个区域中的电流值信息是在微观层中被模拟，“电离层附近的电流值相当于电子热速度的电流的70％的事实”被当作“预设水平”或“阈值”，而电流值已达到至少预设水平或阈值的信息被当作转移到微观层上进行模拟的信息。

[0035]在这种情况下，在宏观层上的模拟中检测到这样一个区域时，其中电离层附近的电流值产生的最大值至少相当于电子热速度的电流的70％，把这个电流值的信息提供给微观层的模拟处理作为变化信息，并在微观层的模拟处理中的电流值信息基础上制备电子的分布函数，从而执行微观层中的电子和离子的粒子模拟作为微观模拟处理。

[0036]换句话说，如图4所示，入射到模拟目标区上的部分电子能量是从背景电子提供给少数电子，从而产生高速电子束，而这个高速电子束的降落与氧分子和氮分子发生碰撞。因此，形成极光-弧。

[0037]即使在执行这种粒子模拟时，在宏观层上同时并行地执行流体宏观模拟，因为微观层中的变化是很小的。

[0038]例如，图5表示此时在时间基础上的微观模拟与宏观模拟之间的信息交换模式。

图5所示的模式是这样的，上层控制单元起动下层控制单元。在这个附图中，模拟是在从左到右的方向上进展的，向下的箭头指出，在上层(宏观层)的模拟中已检测到超过阈值的变化时，包含该变化的信息是从宏观层被转移到微观层，而向上的箭头指出，在下层(微观层)上的模拟已结束，其结果被转移到上层并被转移到宏观层上进行模拟。可以同时在微观层上并行地执行来自宏观层的多个信息变化的模拟。

[0039]当微观层中的磁性层与电离层之间的电势差至少已达到电子动能的10倍时，和它的状态已连续保持等离子体振荡倒数的100倍周期，这个数字值被当作“预设水平”或“阈值”，而从电离层上的电势差和电子分布函数得到的电子束电流值提供给宏观层上的模拟处理作为变化信息，在该信息的基础上执行宏观层的模拟处理。

[0040]此外，在宏观层上的模拟中检测到超过阈值的变化信息时，把宏观层的变化信息提供给微观层，并与宏观层的模拟处理并行地再执行微观层的模拟处理。

重复以上描述的这种处理操作，因此，利用模拟处理可以同时解决空间尺度相差几十亿倍和时间尺度相差几千亿倍的两层中的现象。

[0041]因此，在按照本发明的模拟器系统中，可以执行上述宏观模拟处理的磁流体动态模拟和微观模拟处理的粒子模拟分别作为上层的模拟处理和下层的模拟处理，因此，得到用于说明极光-弧形成的物理机构所需的发现作为模拟结果。

[0042]以上已具体地描述按照本发明的模拟器系统。然而，在本发明中还可以增加各种变化和改动。

例如，可以分别模拟处理不同尺度的三层或多层的模拟目标事件。在这种情况下，在模拟器系统中仅需要分别提供多个层处理器以执行所述三层或多层的模拟处理，并利用有上述相同结构的扩程器连接所有各层的相邻两层组中与每组有关的上层处理器和下层处理器。当然，还要提供包含分配器和控制整个模拟的集成处理系统和用于存储模拟处理得到的数据的数据存储单元，其中分配器用于静态分割模拟程序。

按照这种模拟器系统，可以得到模拟目标事件的更准确和精细的模拟结果。

[0043]在以上的实施例中，扩程器有层间共用存储器以及连接到上层处理器的上层控制单元和连接到下层处理器的下层控制单元，上层控制单元和下层控制单元有通过层间共用存储器可以互相交换信息的结构。然而，本发明不局限于这种结构。更具体地说，仅需要上层控制单元和下层控制单元有可以互相交换信息的结构。上层控制单元和下层控制单元可以有这样的结构，通过远程直接存储器存取(RDMA)单元，总线，高速LAN代替层间共用存储器，可以互相交换信息。

[0044]例如，我们描述使用RDMA单元的例子。当选取类型信息的变化程度已超过在上层处理器中预设的水平时，在存储包含所述变化的上层信息的上层处理器存储器上的地址和模型识别ID，以及产生该变化效应的信号，通过扩程器被传输到下层处理器，并以此作为线索，下层处理器利用RDMA单元存取包含所述变化的上层信息到上层处理器的存储器，因此，利用这个信息，可以执行对应于模型识别ID的下层模拟。

[0045]另一方面，在下层处理器中已完成某个模拟处理时，在存储包含模拟结果的下层信息的下层处理器存储器上的地址和模型识别ID，以及已完成模拟处理效应的信号，通过扩程器被传输到上层处理器，并以此作为线索，上层处理器利用RDMA存取包含模拟结果的下层信息到下层处理器的存储器，因此，利用这个信息，可以执行对应于模型识别ID的上层模拟。

[0046]在本发明中，按照多个模拟程序而不是单个模拟程序，可以执行与每层有关的层处理器中的模拟处理。具体地说，在下层处理器中，最好是按照大量模拟程序执行模拟处理，因此，可以得到考虑到更详细的条件变化的模拟结果。

此外，在按照多个模拟程序执行一个层的模拟处理时，每个模拟程序实质上不需要计算机。

[0047]在按照本发明的模拟器系统中，模拟目标事件是不受限制的，可以利用模拟器系统模拟各种现象和事件。作为例子，可以提到以下的情况：

(1)例如，把空气循环的空气变化当作宏观层，其空间尺度是10,000km，而把云或雨的运动当作微观层，其空间尺度是1mm(在这种情况下，尺度比率是100亿倍)。

(2)例如，把板块运动的地震当作宏观层，其时间尺度是几十年，而把断层运动当作微观层，其时间尺度是1秒(在这种情况下，尺度比率是10亿倍)。

(3)例如，把气象预测的气象灾害当作宏观层，其时间尺度是1个星期，而把塌方当作微观层，其时间尺度是1秒(在这种情况下，尺度比率是1百万倍)。

(4)例如，把药物产品的纳米新药现象当作宏观层，其空间尺度是1cm，而把分子键当作微观层，其空间尺度是0.1nm(在这种情况下，尺度比率是1亿倍)。

(5)例如，把中心等离子体的核聚变反应当作宏观层，其空间尺度是10m，而把电子运动当作微观层，其空间尺度是10μm(在这种情况下，尺度比率是1千万倍)。

(6)例如，把整个产品的汽车等中的现象当作宏观层，其空间尺度是1m，而把燃料燃烧当作微观层，其空间尺度是1nm(在这种情况下，尺度比率是10亿倍)。

(7)例如，把电池上气体-液体流动的燃料电池变化当作宏观层，其空间尺度是10cm，而把气体-液体的扩散当作微观层，其空间尺度是1nm(在这种情况下，尺度比率是1亿倍)。

除了以上的描述以外，按照本发明的模拟器系统还可被周在与经济和工业有关的现象或事件上。

Claims

1.一种用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统，该系统包括：

上层处理器和下层处理器，分别用于执行上层和下层的模拟处理，上层和下层有互相不同的尺度；

连接上层处理器和下层处理器的扩程器；

包含分配器并且控制整个模拟的集成处理系统，基于控制有关模拟目标事件的法则体系，分配器把模拟程序静态分割成上层程序和下层程序，并分别分配它们到上层处理器和下层处理器；和

数据存储单元，用于存储通过模拟得到的数据，

其中上层处理器和下层处理器均由计算机系统构造，

其中扩程器有连接到上层处理器的上层控制单元和连接到下层处理器的下层控制单元，并且上层控制单元和下层控制单元被构造为能够互相交换信息，并且其中

(a)当选取类型的信息的变化程度已超过在上层处理器中预设的水平时，在上层中包含所述变化的信息从上层处理器被转移到下层控制单元，

上层处理器继续执行模拟处理，并行地，基于被转移到下层控制单元的信息，从下层控制单元发出一个命令到下层处理器以在下层处理器中执行下层的模拟处理，该命令用于按照对应于以上变化的模拟模型开始执行模拟处理，和/或

(b)当选取类型的信息的变化程度已超过在下层处理器中预设的水平时，在下层中包含所述变化的信息从下层处理器被转移到上层控制单元，

下层处理器继续执行模拟处理，并行地，基于被转移到上层控制单元的信息，从上层控制单元发出一个命令到上层处理器以在上层处理器中执行上层的模拟处理，该命令用于按照对应于以上变化的模拟模型开始执行模拟处理。

2.一种用于模拟时间和/或空间变化事件的模拟器系统，该系统包括：

多个层处理器，分别用于执行尺度互不相同的至少三层的模拟处理；

扩程器，用于互相连接与所述至少三层中彼此相邻的两层有关的上层处理器和下层处理器；

数据存储单元，用于存储通过模拟得到的数据，

其中层处理器均由计算机系统构造，

3.按照权利要求1或2的模拟器系统，其中上层控制单元和下层控制单元被构造为：通过从层间共用存储器、远程直接存储器存取单元、总线和高速LAN中选择的一个通信系统，在所述上层控制单元和所述下层控制单元之间能够互相交换信息。

4.按照权利要求1或2的模拟器系统，其中分别在上层处理器和下层处理器中同时执行不同模拟模型的模拟处理。

5.按照权利要求1或2的模拟器系统，其中仅当选取类型的信息的变化程度已超过上层处理器或下层处理器中预设的水平时，执行在上层处理器或下层处理器中执行模拟处理过程中的中途信息的转移。

6.按照权利要求1或2的模拟器系统，其中对被转移到上层处理器中的信息和被转移到下层处理器中的信息执行与在上层处理器或下层处理器中执行的模拟程序相对应的信息内容减少处理。

7.按照权利要求1或2的模拟器系统，其中在上层处理器中执行的模拟处理的层尺度至少是在下层处理器中执行的模拟处理的层尺度的100,000倍。