Computational Science And High Performance Computing II pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Krause, Egon (EDT)/ Shokin, Yurii (EDT)/ Resch, Michael (EDT)/ Shokina, Nina (EDT)

出品人:

页数:339

译者:

出版时间:

价格:279

装帧:HRD

isbn号码:9783540317678

丛书系列:

图书标签:

计算科学
高性能计算
数值分析
科学计算
并行计算
模拟
算法
计算机科学
应用数学
工程计算

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具体描述

《先进计算方法与架构》内容简介本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探讨现代计算科学领域的前沿进展，重点关注那些对解决复杂科学和工程问题至关重要的计算方法、理论基础以及支撑这些方法的硬件架构。本书并非对特定计算工具或软件的简单介绍，而是致力于构建一个坚实的理论框架，使读者能够理解高性能计算系统背后的核心原理，并能够根据具体问题需求，选择或设计最合适的计算策略。全书内容组织严谨，结构清晰，分为理论基础、数值算法、系统架构和新兴领域四个主要部分。第一部分：计算科学的理论基石本部分首先回顾了现代计算科学的数学基础。我们将深入探讨连续介质力学、偏微分方程（PDEs）的数值求解方法，特别是有限元方法（FEM）和有限体积方法（FVM）的理论推导、误差分析及其在不同物理场建模中的应用。对于大规模问题的求解，迭代方法，如 Krylov 子空间方法（包括 GMRES, BiCGSTAB）和预条件子的设计与构造，占据了重要篇幅。我们将详细分析这些方法的收敛性、稳定性和计算复杂性，为后续的高性能实现打下基础。此外，本部分也涵盖了现代概率论在不确定性量化（UQ）中的应用，包括蒙特卡洛模拟及其加速技术，如准蒙特卡洛序列。第二部分：高效能数值算法设计与优化本部分聚焦于如何将抽象的数学模型转化为能在现代并行硬件上高效执行的计算流程。重点分析了针对特定应用领域的高效算法，例如，在流体力学中，我们讨论了基于网格自适应的算法（AMR）如何动态分配计算资源；在材料科学中，密度泛函理论（DFT）的计算瓶颈及其加速技术，如基于谱方法的快速求解器，将是讨论的重点。算法优化不仅仅关注计算复杂度，更关注数据局部性和内存访问模式。我们将详细介绍如何重构经典算法以适应现代缓存层级结构，例如，如何优化矩阵乘法（GEMM）以最大化 L1/L2 缓存的利用率，以及如何设计适合特定稀疏矩阵结构的内存布局。此外，面向大规模并行计算，算法的并行化策略，如域分解方法（Domain Decomposition Methods）和混合并行策略（MPI与OpenMP的结合使用），将通过具体的案例进行深入剖析。第三部分：高性能计算系统架构理解硬件是实现高效计算的先决条件。本部分将系统地介绍现代超级计算机的架构演变，从多核CPU的内部设计，到大规模互连网络的拓扑结构（如 Torus, Fat-Tree），及其对通信开销的影响。我们不仅关注传统的CPU计算能力，更将大量篇幅用于探讨加速器技术。 GPU架构作为当前高性能计算的主流驱动力，其内存层次结构（全局内存、共享内存、寄存器）、执行模型（SIMT）及其编程范式（如 CUDA/OpenCL 的核心概念）将被详尽阐述。我们还将讨论如何设计“异构感知型”算法，即能够智能地将计算任务分配给最适合的处理器单元。此外，面向未来的计算范式，如量子计算的基本原理、量子算法（Shor's, Grover's）的潜力与局限性，以及类脑计算（Neuromorphic Computing）的基础概念，也将作为本部分的延伸内容进行介绍，使读者对计算的未来方向有所准备。第四部分：应用与前沿计算挑战最后一部分将理论与实践相结合，探讨高性能计算在解决重大科学问题中的实际应用案例，并讨论当前面临的挑战。我们将分析大规模数据处理对计算资源提出的新需求，尤其是在数据驱动科学（Data-Driven Science）中，机器学习与传统数值模拟的融合趋势。例如，如何利用深度学习来加速模拟过程中的某些耗时模块，或者如何使用高性能计算平台来训练超大型神经网络模型。此外，本部分还将探讨保障大规模计算可靠性和可扩展性的关键议题，包括容错计算（Fault Tolerance）的设计，例如检查点/恢复机制的效率优化，以及解决“渐进式停机”（Silent Data Corruption）的策略。对大规模模拟结果的可视化和后处理也将被纳入讨论范围，强调高性能I/O在整个计算流程中的重要性。本书面向对象是具有扎实数学和编程基础的高年级本科生、研究生以及在工业界和学术界从事高性能计算、数值模拟和复杂系统建模的专业工程师和研究人员。通过学习本书，读者将不仅掌握一系列先进的计算工具和技术，更重要的是，培养起批判性分析和设计高效能解决方案的能力。