案例分享｜性能提升突破25%！揭秘国产CFD——风雷软件并行架构升级

软件介绍

 

    风雷软件（PHengLEI，Platform for Hybrid ENGineering simulation of flows）是中国空气动力研究与发展中心（CARDC）研发的面向流体工程的混合CFD平台。平台以面向对象的设计理念，采用C++语言编程。2020年12月，风雷软件正式面向全国开源，与其他开源CFD软件相比，风雷软件具有扩展能力强、开发难度低、计算效率高等特点，同时适用于前沿研究和大规模常规工程应用。^[1]

   

    风雷软件（PHengLEI）作为我国自主研发的通用CFD平台，具备结构/非结构/混合网格的全域求解能力，其核心数据结构PHArray通过C++模拟Fortran多维数组特性，兼顾工程代码的兼容性。然而，受限于C++默认不实现向量化及索引冗余计算，PHArray的实际运算效率显著低于Fortran原生数组，串行性能测试中GFlop峰值比例不足问题尤为突出。为打破这一技术瓶颈，「神工坊」技术团队提出以编译器深度优化为核心的综合性能提升方案，在保持用户接口零改动的前提下重构底层数据访问逻辑。  

二、三大核心难题攻克：

平衡兼容性、效率与跨平台需求 

    那么如何在不改动接口的情况下，让软件跑得更快且适配所有平台？「神工坊」技术团队迅速拆解出了三大核心需求：

1. 接口稳定性：PHArray作为风雷软件的核心数据容器，需确保优化不改变现有数千行工程代码的调用方式；  

2. 性能瓶颈突破：C++隐式索引计算、内存访问模式不佳导致向量化率低下，需在不侵入业务逻辑的前提下重构底层实现；  

3. 跨平台适配：方案需兼容Linux/Windows系统及GNU/Intel编译器，确保优化效果普适性。  

    针对上述需求，我们提出采用“循环优化+链接优化”双引擎驱动，通过编译器技术释放硬件算力。

• 向量化加速：重构循环结构，利用Intel编译器自动向量化技术将标量运算转化为SIMD指令（如AVX512），单指令处理多数据；  

• 分块与融合：通过循环分块（Tiling）提升缓存命中率，融合独立循环减少分支跳转开销；  

• 数据预取：优化内存访问模式，引导编译器自动插入预取指令，减少CPU等待延迟。  

• LTO（链接时优化）：借助LLVM工具链对全程序代码进行跨模块分析，内联关键函数、消除冗余计算；  

• IPO（过程间优化）：跨函数边界优化寄存器分配与指令调度，提升指令级并行度。  

• 多维数组底层访问优化：用多级指针替代传统类封装，减少隐式索引计算；  

• 编译器指令嵌入：通过`pragma omp simd`等编译制导语句引导编译器生成高效机器码。  

    在完成编译优化方案的构建后，我们迎来了至关重要的实战验证阶段。本次测试聚焦两大核心目标：一是验证优化后的风雷结构网格求解器在不同平台上的计算效率是否实现显著提升，二是确保优化过程丝毫未影响程序的计算精度。

 

• 正确性验证：优化前后各跑一遍，vimdiff对比气动力系数文件，考察是否满足5位有效数字一致

• 性能统计：优化前后跑10遍记录时间，取平均值计算性能提升百分比

• Linux平台：

 

 

• Windows平台

 

 

 

    当前基于Intel编译器自动向量化和LLVM框架链接时优化的编译参数优化方案，在典型的结构网格算例中对风雷结构网格求解器的性能提升能达到25%以上，优化方案在Windows和Linux操作系统上均有效，且程序的正确性不受影响。

    历经数月的攻坚克难，「神工坊」团队针对风雷软件的并行架构升级专项，交出了一份硬核成绩单：

    从达标情况来看，性能上，30p30n翼型、2822翼型、球头、双椭球、RamC模型等算例在Linux平台下，基于Intel/GCC/Clang编译器均实现超25%性能提升，满足预设指标；功能上，针对用户提供的典型结构网格算例，算例结果保证与优化前的气动力系数有效位前5位保持一致。

    另外值得一提的是，本次优化的三大亮点为国产工业软件的发展树立了新标杆：

• 跨平台兼容性：Linux/Windows双系统、Intel/GCC/Clang多编译器全适配，优化方案普适性强；

• 精度-效率双优：气动力系数零偏差约束下实现性能跃升，兼顾工程实用性与计算效能；

• 多维性能锚定：从单元素到集 合访问、从二维到四维数组，全维度覆盖性能基线，为后续优化提供量化基准。