NotBigGhostandClaude Opus 5
e3c2d417f8
--time <секунды> задаёт длительность прогона прямо в физическом времени, число шагов считается как time/δt. Мотив: шаг не есть фиксированная порция времени — δt = u_lat·δx/u_phys привязан к размеру клетки, поэтому одно и то же число шагов на разных сетках покрывает разное физическое время (клетка втрое мельче ⇒ вместо 6 секунд получается 2). ГРАНИЧНОЕ УСЛОВИЕ ГРАДА (--wall grad) по Dorschner, Bösch, Chikatamarla, Boulouchos, Karlin, J. Fluid Mech. 801 (2016), разд. 2.1 и прил. B: недостающие популяции задаются не напрямую, а через целевые моменты — скорость (B 1), плотность (B 3) и тензор давлений (2.14)–(2.16), — после чего собираются приближением Града (2.13). Переиспользует grad_init, уже проверенный на эталоне Тейлора–Грина. Скорость на момент t берётся из пост-столкновительного поля: столкновение сохраняет ρ и ρu, поэтому отдельное хранилище прошлого шага не нужно. Добавлена также заведомо ступенчатая модель (--wall staircase) — не для счёта, а как база сравнения, показывающая, сколько именно даёт субсеточность. ИЗМЕРЕНО, насколько каждая модель субсеточна. Тело сдвигается внутри клетки, смотрится разброс Cd (Re=20, D=16, стационар): staircase 1.11%, grad 0.64%, bouzidi 0.19%. Град оказывается ровно между ступенькой и Bouzidi, и это следует из его устройства: положение стенки входит туда только через целевую скорость — одну усреднённую по узлу величину, тогда как Bouzidi подставляет свою долю пересечения в каждую популяцию отдельно. Сходимость по разрешению тела (домен 15D×10D, Re=20): bouzidi 2.581/2.529/2.521 и grad 2.618/2.534/2.521 при D=8/16/32. Обе состоятельны, сходятся к одному пределу с наблюдаемым порядком ≈2.7 и к D=32 неразличимы; на грубой сетке Град заметно хуже. Ступенчатая модель при D=16 даёт 2.69, то есть +6.7% к пределу против +0.4% у субсеточных. Заявленного в статье выигрыша Града по устойчивости на высоких Re в здешней канальной постановке воспроизвести не удалось: обе модели теряют счёт на одном и том же Re, то есть ограничивает не стенка. Поэтому умолчание остаётся bouzidi. В шапку добавлена диагностика границы тела: сколько линков идут по интерполяционной формуле, сколько сваливаются в ступенчатый отскок, каков разброс доли пересечения. На NACA и цилиндре интерполяция покрывает 100% линков. GPU-бэкенд условие Града пока не поддерживает и при таком выборе отказывается запускаться явно, а не считает молча по Bouzidi. Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>
1442 lines
56 KiB
Rust
1442 lines
56 KiB
Rust
//! БЭКЕНД ПОД ВИДЕОКАРТУ на wgpu (Vulkan / DX12 / Metal).
|
||
//!
|
||
//! Физика построчно повторяет `math.rs`, но на f32: в WGSL нет двойной точности. Это законно
|
||
//! именно потому, что порог вырожденности γ в схеме ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ (`GREL`, доля от ⟨Δ|Δ⟩), а не
|
||
//! абсолютный — иначе в f32 он срабатывал бы на подавляющем большинстве узлов и схема молча
|
||
//! выродилась бы в LBGK. Топология задачи (маски, Bouzidi-линки, рамка и рестрикция патча) не
|
||
//! дублируется: она строится теми же процедурами из `cpu`, а сюда загружается готовыми списками.
|
||
//!
|
||
//! Раскладка полей — SoA: `f[i*n + node]`. В отличие от AoS на процессоре, здесь важен
|
||
//! коалесцированный доступ: соседние потоки читают соседние узлы одной и той же популяции.
|
||
//!
|
||
//! Ограничение реализации: за каждый шаг делается одно чтение 48-байтового буфера итогов
|
||
//! (сила, зонд, статистика). Это синхронизация с GPU на каждом шаге; она заметно ограничивает
|
||
//! частоту шагов на мелких сетках, зато `step()` возвращает те же величины, что и процессорный
|
||
//! бэкенд, шаг в шаг. На крупных сетках стоимость самой синхронизации теряется на фоне счёта.
|
||
|
||
use std::borrow::Cow;
|
||
|
||
use bytemuck::{Pod, Zeroable};
|
||
use wgpu::util::DeviceExt;
|
||
|
||
use crate::cpu;
|
||
use crate::math::{self, R};
|
||
use crate::{Collision, FieldKind, Spec, StepRec};
|
||
|
||
const WG: u32 = 64;
|
||
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
// Структуры, разделяемые с шейдером
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct LevelParams {
|
||
n: u32,
|
||
nx: u32,
|
||
ny: u32,
|
||
nlinks: u32,
|
||
bcx: f32,
|
||
bcy: f32,
|
||
probe_node: u32,
|
||
/// бит 0 — писать частичные суммы статистики; бит 1 — на этом уровне лежит зонд
|
||
flags: u32,
|
||
}
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct Dyn {
|
||
ux_in: f32,
|
||
uy_in: f32,
|
||
rho_out: f32,
|
||
/// 0 — сдвиговая часть только девиатор (N1), 1 — девиатор со следом (N2)
|
||
kbc_model: u32,
|
||
outlet_extrap: u32,
|
||
nparts: u32,
|
||
refine: u32,
|
||
collision: u32,
|
||
}
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct Substep {
|
||
idx: u32,
|
||
_p: [u32; 3],
|
||
}
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct AmrParams {
|
||
nghost: u32,
|
||
nrestrict: u32,
|
||
ccount: u32,
|
||
fcount: u32,
|
||
r01: f32,
|
||
rfc: f32,
|
||
w: f32,
|
||
_pad: f32,
|
||
}
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct GLink {
|
||
node: u32,
|
||
far: u32,
|
||
i: u32,
|
||
ib: u32,
|
||
kind: u32,
|
||
q: f32,
|
||
_p: [u32; 2],
|
||
}
|
||
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable)]
|
||
struct GGhost {
|
||
fine: u32,
|
||
c00: u32,
|
||
c10: u32,
|
||
c01: u32,
|
||
c11: u32,
|
||
tx: f32,
|
||
ty: f32,
|
||
_p: u32,
|
||
}
|
||
|
||
/// Итоги шага, читаемые на хост. Порядок обязан совпадать с `results` в шейдере.
|
||
#[repr(C)]
|
||
#[derive(Clone, Copy, Pod, Zeroable, Default, Debug)]
|
||
struct Results {
|
||
fx: f32,
|
||
fy: f32,
|
||
tz: f32,
|
||
uy_probe: f32,
|
||
rho_sum: f32,
|
||
max_u: f32,
|
||
g_sum: f32,
|
||
g_min: f32,
|
||
g_max: f32,
|
||
cnt: f32,
|
||
degen: f32,
|
||
xineg: f32,
|
||
}
|
||
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
// Шейдер
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
|
||
const SHADER: &str = r#"
|
||
// ───── структуры (обязаны совпадать с gpu.rs) ─────
|
||
struct LevelParams { n:u32, nx:u32, ny:u32, nlinks:u32, bcx:f32, bcy:f32, probe_node:u32, flags:u32 };
|
||
struct Dyn { ux_in:f32, uy_in:f32, rho_out:f32, kbc_model:u32, outlet_extrap:u32, nparts:u32, refine:u32, collision:u32 };
|
||
struct Substep { idx:u32, p0:u32, p1:u32, p2:u32 };
|
||
struct AmrParams { nghost:u32, nrestrict:u32, ccount:u32, fcount:u32, r01:f32, rfc:f32, w:f32, pad:f32 };
|
||
struct GLink { node:u32, far:u32, i:u32, ib:u32, kind:u32, q:f32, p0:u32, p1:u32 };
|
||
struct GGhost { fine:u32, c00:u32, c10:u32, c01:u32, c11:u32, tx:f32, ty:f32, p0:u32 };
|
||
struct Partial { rho:f32, maxu:f32, gsum:f32, gmin:f32, gmax:f32, cnt:f32, degen:f32, xineg:f32 };
|
||
|
||
@group(0) @binding(0) var<storage, read_write> f : array<f32>;
|
||
@group(0) @binding(1) var<storage, read_write> post : array<f32>;
|
||
@group(0) @binding(2) var<storage, read_write> gam : array<f32>;
|
||
@group(0) @binding(3) var<storage, read> solid: array<u32>;
|
||
@group(0) @binding(4) var<storage, read> links: array<GLink>;
|
||
@group(0) @binding(5) var<storage, read> beta : array<f32>;
|
||
@group(0) @binding(6) var<storage, read_write> parts: array<Partial>;
|
||
@group(0) @binding(7) var<uniform> P : LevelParams;
|
||
|
||
@group(1) @binding(0) var<uniform> D : Dyn;
|
||
@group(1) @binding(1) var<uniform> S : Substep;
|
||
// results[0..11] — итоги шага, results[16 + s*4 + c] — сила подшага s.
|
||
// Сила и итоги держатся в ОДНОМ буфере намеренно: связка уровня использует 7 storage-биндингов,
|
||
// и отдельный буфер сил вывел бы конвейер за предел 8, гарантируемый лимитами по умолчанию.
|
||
@group(1) @binding(2) var<storage, read_write> results : array<f32>;
|
||
|
||
@group(2) @binding(0) var<storage, read> amr_src: array<f32>;
|
||
@group(2) @binding(1) var<storage, read_write> amr_dst: array<f32>;
|
||
@group(2) @binding(2) var<storage, read> ghosts : array<GGhost>;
|
||
@group(2) @binding(3) var<storage, read> gh_a : array<f32>;
|
||
@group(2) @binding(4) var<storage, read> gh_b : array<f32>;
|
||
@group(2) @binding(5) var<storage, read> rest : array<vec2<u32>>;
|
||
@group(2) @binding(6) var<uniform> A : AmrParams;
|
||
|
||
const GREL: f32 = 1e-8;
|
||
const CS2 : f32 = 0.3333333333;
|
||
|
||
// ───── физика: построчный перенос math.rs ─────
|
||
|
||
// Энтропийное равновесие в product-form (точный максимизатор энтропии при заданных rho, rho*u)
|
||
fn feq9(rho: f32, ux0: f32, uy0: f32) -> array<f32,9> {
|
||
let ux = clamp(ux0, -0.95, 0.95);
|
||
let uy = clamp(uy0, -0.95, 0.95);
|
||
let sx = sqrt(1.0 + 3.0*ux*ux);
|
||
let sy = sqrt(1.0 + 3.0*uy*uy);
|
||
let base = rho * (2.0 - sx) * (2.0 - sy);
|
||
let qx = (2.0*ux + sx) / (1.0 - ux);
|
||
let qy = (2.0*uy + sy) / (1.0 - uy);
|
||
let ix = 1.0 / qx;
|
||
let iy = 1.0 / qy;
|
||
return array<f32,9>(
|
||
base*(4.0/9.0),
|
||
base*(1.0/9.0)*qx, base*(1.0/9.0)*qy, base*(1.0/9.0)*ix, base*(1.0/9.0)*iy,
|
||
base*(1.0/36.0)*qx*qy, base*(1.0/36.0)*ix*qy, base*(1.0/36.0)*ix*iy, base*(1.0/36.0)*qx*iy);
|
||
}
|
||
|
||
fn macros9(fv: array<f32,9>) -> vec3<f32> {
|
||
let rho = fv[0]+fv[1]+fv[2]+fv[3]+fv[4]+fv[5]+fv[6]+fv[7]+fv[8];
|
||
let mx = fv[1]+fv[5]+fv[8]-fv[3]-fv[6]-fv[7];
|
||
let my = fv[2]+fv[5]+fv[6]-fv[4]-fv[7]-fv[8];
|
||
return vec3<f32>(rho, mx/rho, my/rho);
|
||
}
|
||
|
||
// Проекция неравновесия на сдвиговую часть. model=0: {N, Pi_xy} (N1); model=1: плюс след T (N2)
|
||
fn shift9(d: array<f32,9>, model: u32) -> array<f32,9> {
|
||
let a = 0.25*(d[1] + d[3] - d[2] - d[4]);
|
||
let b = 0.25*(d[5] + d[7] - d[6] - d[8]);
|
||
var s = array<f32,9>(0.0, a, -a, a, -a, b, -b, b, -b);
|
||
if (model == 1u) {
|
||
let dt = d[1] + d[2] + d[3] + d[4] + 2.0*(d[5] + d[6] + d[7] + d[8]);
|
||
let q = 0.25*dt;
|
||
s[0] = s[0] - dt;
|
||
s[1] = s[1] + q; s[2] = s[2] + q; s[3] = s[3] + q; s[4] = s[4] + q;
|
||
}
|
||
return s;
|
||
}
|
||
|
||
fn load9(base: ptr<function, array<f32,9>>, off: u32, n: u32) {
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { (*base)[i] = f[i*n + off]; }
|
||
}
|
||
|
||
// Возвращает (пост-столкновительные популяции, gamma, признак вырождения)
|
||
struct CollOut { fv: array<f32,9>, gamma: f32, degen: f32 };
|
||
|
||
fn collide9(fin: array<f32,9>, b: f32, op: u32, model: u32) -> CollOut {
|
||
var out: CollOut;
|
||
// WGSL разрешает переменный индекс только по памяти (var), а не по значению (let/параметр),
|
||
// поэтому всё, что индексируется в цикле, кладётся в var
|
||
var fv = fin;
|
||
let m = macros9(fin);
|
||
var fe = feq9(m.x, m.y, m.z);
|
||
if (op == 1u) { // LBGK: то же самое при gamma = 2
|
||
var g: array<f32,9>;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { g[i] = fv[i] + 2.0*b*(fe[i] - fv[i]); }
|
||
out.fv = g; out.gamma = 2.0; out.degen = 0.0;
|
||
return out;
|
||
}
|
||
var d: array<f32,9>;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { d[i] = fv[i] - fe[i]; }
|
||
var ds = shift9(d, model);
|
||
var num = 0.0; var den = 0.0; var nrm = 0.0;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) {
|
||
let inv = 1.0 / fe[i];
|
||
let dh = d[i] - ds[i];
|
||
num = num + ds[i]*dh*inv;
|
||
den = den + dh*dh*inv;
|
||
nrm = nrm + d[i]*d[i]*inv;
|
||
}
|
||
// относительный порог: den квадратична по неравновесию и физически мала
|
||
let ok = den > GREL*nrm;
|
||
let binv = 1.0 / b;
|
||
var gm = 2.0;
|
||
if (ok) { gm = binv - (2.0 - binv)*num/den; }
|
||
var g: array<f32,9>;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) {
|
||
let dh = d[i] - ds[i];
|
||
g[i] = fv[i] - b*(2.0*ds[i] + gm*dh);
|
||
}
|
||
out.fv = g; out.gamma = gm;
|
||
out.degen = select(1.0, 0.0, ok);
|
||
return out;
|
||
}
|
||
|
||
fn zou_he_inlet(fin: array<f32,9>, ux: f32, uy: f32) -> array<f32,9> {
|
||
var g = fin;
|
||
let rho = (g[0] + g[2] + g[4] + 2.0*(g[3] + g[6] + g[7])) / (1.0 - ux);
|
||
let dd = 0.5*(g[2] - g[4]);
|
||
g[1] = g[3] + (2.0/3.0)*rho*ux;
|
||
g[5] = g[7] - dd + (1.0/6.0)*rho*ux + 0.5*rho*uy;
|
||
g[8] = g[6] + dd + (1.0/6.0)*rho*ux - 0.5*rho*uy;
|
||
return g;
|
||
}
|
||
|
||
fn zou_he_outlet(fin: array<f32,9>, rho_out: f32, uy_out: f32) -> array<f32,9> {
|
||
var g = fin;
|
||
let ux = (g[0] + g[2] + g[4] + 2.0*(g[1] + g[5] + g[8])) / rho_out - 1.0;
|
||
let dd = 0.5*(g[2] - g[4]);
|
||
g[3] = g[1] - (2.0/3.0)*rho_out*ux;
|
||
g[6] = g[8] - dd - (1.0/6.0)*rho_out*ux + 0.5*rho_out*uy_out;
|
||
g[7] = g[5] + dd - (1.0/6.0)*rho_out*ux - 0.5*rho_out*uy_out;
|
||
return g;
|
||
}
|
||
|
||
// ───── ядра ─────
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_collide(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let nd = gid.x;
|
||
if (nd >= P.n) { return; }
|
||
var fv: array<f32,9>;
|
||
load9(&fv, nd, P.n);
|
||
if (solid[nd] != 0u) {
|
||
// внутри тела не считаем: популяции там фиктивны, Bouzidi всё равно их перекрывает
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { post[i*P.n + nd] = fv[i]; }
|
||
gam[nd] = 2.0;
|
||
return;
|
||
}
|
||
var r = collide9(fv, beta[nd % P.nx], D.collision, D.kbc_model);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { post[i*P.n + nd] = r.fv[i]; }
|
||
gam[nd] = r.gamma;
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_stream(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let nd = gid.x;
|
||
if (nd >= P.n) { return; }
|
||
var cx = array<i32,9>(0, 1, 0, -1, 0, 1, -1, -1, 1);
|
||
var cy = array<i32,9>(0, 0, 1, 0, -1, 1, 1, -1, -1);
|
||
let x = i32(nd % P.nx);
|
||
let y = i32(nd / P.nx);
|
||
let nxi = i32(P.nx);
|
||
let nyi = i32(P.ny);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) {
|
||
var xs = (x - cx[i]) % nxi; if (xs < 0) { xs = xs + nxi; }
|
||
var ys = (y - cy[i]) % nyi; if (ys < 0) { ys = ys + nyi; }
|
||
f[i*P.n + nd] = post[i*P.n + u32(ys*nxi + xs)];
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_bouzidi(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let k = gid.x;
|
||
if (k >= P.nlinks) { return; }
|
||
let L = links[k];
|
||
let fi = post[L.i*P.n + L.node];
|
||
var v = fi;
|
||
if (L.kind == 0u) { // q < 1/2, есть дальний жидкий сосед
|
||
v = 2.0*L.q*fi + (1.0 - 2.0*L.q)*post[L.i*P.n + L.far];
|
||
} else if (L.kind == 1u) { // q >= 1/2
|
||
let h = 1.0/(2.0*L.q);
|
||
v = h*fi + (1.0 - h)*post[L.ib*P.n + L.node];
|
||
}
|
||
f[L.ib*P.n + L.node] = v;
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_walls(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let x = gid.x;
|
||
if (x >= P.nx) { return; }
|
||
// зеркальное отражение: касательный импульс сохраняется, нормальный заворачивается
|
||
f[2u*P.n + x] = f[4u*P.n + x];
|
||
f[5u*P.n + x] = f[8u*P.n + x];
|
||
f[6u*P.n + x] = f[7u*P.n + x];
|
||
let t = (P.ny - 1u)*P.nx + x;
|
||
f[4u*P.n + t] = f[2u*P.n + t];
|
||
f[7u*P.n + t] = f[6u*P.n + t];
|
||
f[8u*P.n + t] = f[5u*P.n + t];
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_channel(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let y = gid.x;
|
||
if (y >= P.ny) { return; }
|
||
// вход: скоростной Zou-He по ВСЕМУ столбцу, включая угловые узлы
|
||
let a = y*P.nx;
|
||
var fv: array<f32,9>;
|
||
load9(&fv, a, P.n);
|
||
var gi = zou_he_inlet(fv, D.ux_in, D.uy_in);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { f[i*P.n + a] = gi[i]; }
|
||
// выход: давление-Zou-He
|
||
let b = y*P.nx + P.nx - 1u;
|
||
var gv: array<f32,9>;
|
||
load9(&gv, b, P.n);
|
||
var uyo = 0.0;
|
||
if (D.outlet_extrap != 0u) {
|
||
let c = y*P.nx + P.nx - 2u;
|
||
var cv: array<f32,9>;
|
||
load9(&cv, c, P.n);
|
||
let s = cv[0]+cv[1]+cv[2]+cv[3]+cv[4]+cv[5]+cv[6]+cv[7]+cv[8];
|
||
uyo = ((cv[2]+cv[5]+cv[6]) - (cv[4]+cv[7]+cv[8])) / s;
|
||
}
|
||
var go = zou_he_outlet(gv, D.rho_out, uyo);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { f[i*P.n + b] = go[i]; }
|
||
}
|
||
|
||
// сила и момент по GMEM, редукция одной рабочей группой
|
||
var<workgroup> wfx: array<f32, 256>;
|
||
var<workgroup> wfy: array<f32, 256>;
|
||
var<workgroup> wtz: array<f32, 256>;
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(256)
|
||
fn k_force(@builtin(local_invocation_id) lid: vec3<u32>) {
|
||
let t = lid.x;
|
||
var cx = array<f32,9>(0.0, 1.0, 0.0, -1.0, 0.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0);
|
||
var cy = array<f32,9>(0.0, 0.0, 1.0, 0.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0);
|
||
var sx = 0.0; var sy = 0.0; var sz = 0.0;
|
||
var k = t;
|
||
loop {
|
||
if (k >= P.nlinks) { break; }
|
||
let L = links[k];
|
||
let fp = post[L.i*P.n + L.node];
|
||
let fb = f[L.ib*P.n + L.node];
|
||
let dfx = cx[L.i]*fp + cx[L.i]*fb;
|
||
let dfy = cy[L.i]*fp + cy[L.i]*fb;
|
||
sx = sx + dfx;
|
||
sy = sy + dfy;
|
||
// плечо до точки пересечения линка со стенкой, а не до узла
|
||
let rx = f32(L.node % P.nx) - P.bcx + L.q*cx[L.i];
|
||
let ry = f32(L.node / P.nx) - P.bcy + L.q*cy[L.i];
|
||
sz = sz + rx*dfy - ry*dfx;
|
||
k = k + 256u;
|
||
}
|
||
wfx[t] = sx; wfy[t] = sy; wtz[t] = sz;
|
||
workgroupBarrier();
|
||
var s = 128u;
|
||
loop {
|
||
if (s == 0u) { break; }
|
||
if (t < s) {
|
||
wfx[t] = wfx[t] + wfx[t + s];
|
||
wfy[t] = wfy[t] + wfy[t + s];
|
||
wtz[t] = wtz[t] + wtz[t + s];
|
||
}
|
||
workgroupBarrier();
|
||
s = s >> 1u;
|
||
}
|
||
if (t == 0u) {
|
||
results[16u + S.idx*4u + 0u] = wfx[0];
|
||
results[16u + S.idx*4u + 1u] = wfy[0];
|
||
results[16u + S.idx*4u + 2u] = wtz[0];
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// частичные суммы диагностики: одна Partial на рабочую группу
|
||
var<workgroup> wp: array<Partial, 64>;
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_stats1(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>,
|
||
@builtin(local_invocation_id) lid: vec3<u32>,
|
||
@builtin(workgroup_id) wid: vec3<u32>) {
|
||
let nd = gid.x;
|
||
let t = lid.x;
|
||
var p: Partial;
|
||
p.rho = 0.0; p.maxu = 0.0; p.gsum = 0.0; p.gmin = 1e30; p.gmax = -1e30;
|
||
p.cnt = 0.0; p.degen = 0.0; p.xineg = 0.0;
|
||
if (nd < P.n && solid[nd] == 0u) {
|
||
var fv: array<f32,9>;
|
||
load9(&fv, nd, P.n);
|
||
let m = macros9(fv);
|
||
p.rho = m.x;
|
||
p.maxu = sqrt(m.y*m.y + m.z*m.z);
|
||
let g = gam[nd];
|
||
p.gsum = g; p.gmin = g; p.gmax = g; p.cnt = 1.0;
|
||
// вырожденный узел помечен ровно gamma = 2 (см. k_collide)
|
||
p.degen = select(0.0, 1.0, g == 2.0);
|
||
// объёмная вязкость модели D: xi = cs^2 (1/(gamma*beta) - 1/2)
|
||
let b = beta[nd % P.nx];
|
||
// при следе в сдвиговой части (N2) объёмная вязкость равна сдвиговой и всегда > 0
|
||
var xi = CS2*(1.0/(b + b) - 0.5);
|
||
if (D.kbc_model == 0u) { xi = CS2*(1.0/(g*b) - 0.5); }
|
||
p.xineg = select(0.0, 1.0, xi < 0.0);
|
||
}
|
||
// зонд следа снимается с того уровня, на котором он лежит
|
||
if ((P.flags & 2u) != 0u && nd == P.probe_node) {
|
||
var fv: array<f32,9>;
|
||
load9(&fv, nd, P.n);
|
||
let m = macros9(fv);
|
||
results[3] = m.z;
|
||
}
|
||
wp[t] = p;
|
||
workgroupBarrier();
|
||
var s = 32u;
|
||
loop {
|
||
if (s == 0u) { break; }
|
||
if (t < s) {
|
||
let o = wp[t + s];
|
||
wp[t].rho = wp[t].rho + o.rho;
|
||
wp[t].maxu = max(wp[t].maxu, o.maxu);
|
||
wp[t].gsum = wp[t].gsum + o.gsum;
|
||
wp[t].gmin = min(wp[t].gmin, o.gmin);
|
||
wp[t].gmax = max(wp[t].gmax, o.gmax);
|
||
wp[t].cnt = wp[t].cnt + o.cnt;
|
||
wp[t].degen = wp[t].degen + o.degen;
|
||
wp[t].xineg = wp[t].xineg + o.xineg;
|
||
}
|
||
workgroupBarrier();
|
||
s = s >> 1u;
|
||
}
|
||
if (t == 0u && (P.flags & 1u) != 0u) { parts[wid.x] = wp[0]; }
|
||
}
|
||
|
||
// Размер группы обязан совпадать с длиной wp: при 256 потоках на 64 ячейки четыре потока
|
||
// писали бы в одну и ту же ячейку и три четверти частичных сумм терялись бы молча.
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_stats2(@builtin(local_invocation_id) lid: vec3<u32>) {
|
||
let t = lid.x;
|
||
var p: Partial;
|
||
p.rho = 0.0; p.maxu = 0.0; p.gsum = 0.0; p.gmin = 1e30; p.gmax = -1e30;
|
||
p.cnt = 0.0; p.degen = 0.0; p.xineg = 0.0;
|
||
var k = t;
|
||
loop {
|
||
if (k >= D.nparts) { break; }
|
||
let o = parts[k];
|
||
p.rho = p.rho + o.rho;
|
||
p.maxu = max(p.maxu, o.maxu);
|
||
p.gsum = p.gsum + o.gsum;
|
||
p.gmin = min(p.gmin, o.gmin);
|
||
p.gmax = max(p.gmax, o.gmax);
|
||
p.cnt = p.cnt + o.cnt;
|
||
p.degen = p.degen + o.degen;
|
||
p.xineg = p.xineg + o.xineg;
|
||
k = k + 64u;
|
||
}
|
||
wp[t] = p;
|
||
workgroupBarrier();
|
||
// сведение 256 потоков через 64 ячейки делаем последовательно нулевым потоком:
|
||
// объём данных крошечный, а корректность важнее пары микросекунд
|
||
if (t == 0u) {
|
||
var q: Partial;
|
||
q.rho = 0.0; q.maxu = 0.0; q.gsum = 0.0; q.gmin = 1e30; q.gmax = -1e30;
|
||
q.cnt = 0.0; q.degen = 0.0; q.xineg = 0.0;
|
||
for (var j = 0u; j < 64u; j = j + 1u) {
|
||
let o = wp[j];
|
||
q.rho = q.rho + o.rho;
|
||
q.maxu = max(q.maxu, o.maxu);
|
||
q.gsum = q.gsum + o.gsum;
|
||
q.gmin = min(q.gmin, o.gmin);
|
||
q.gmax = max(q.gmax, o.gmax);
|
||
q.cnt = q.cnt + o.cnt;
|
||
q.degen = q.degen + o.degen;
|
||
q.xineg = q.xineg + o.xineg;
|
||
}
|
||
var fx = 0.0; var fy = 0.0; var tz = 0.0;
|
||
for (var s = 0u; s < D.refine; s = s + 1u) {
|
||
fx = fx + results[16u + s*4u + 0u];
|
||
fy = fy + results[16u + s*4u + 1u];
|
||
tz = tz + results[16u + s*4u + 2u];
|
||
}
|
||
let inv = 1.0 / f32(D.refine);
|
||
results[0] = fx*inv;
|
||
results[1] = fy*inv;
|
||
results[2] = tz*inv;
|
||
results[4] = q.rho;
|
||
results[5] = q.maxu;
|
||
results[6] = q.gsum;
|
||
results[7] = q.gmin;
|
||
results[8] = q.gmax;
|
||
results[9] = q.cnt;
|
||
results[10] = q.degen;
|
||
results[11] = q.xineg;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// ───── AMR ─────
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_ghost(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let k = gid.x;
|
||
if (k >= A.nghost) { return; }
|
||
let g = ghosts[k];
|
||
let w00 = (1.0 - g.tx)*(1.0 - g.ty);
|
||
let w10 = g.tx*(1.0 - g.ty);
|
||
let w01 = (1.0 - g.tx)*g.ty;
|
||
let w11 = g.tx*g.ty;
|
||
// отдельно интерполируются макропеременные, отдельно неравновесная часть (как в cpu.rs)
|
||
var ws = array<f32,4>(w00, w10, w01, w11);
|
||
var cs = array<u32,4>(g.c00, g.c10, g.c01, g.c11);
|
||
var rho = 0.0; var ux = 0.0; var uy = 0.0;
|
||
var neq = array<f32,9>(0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0);
|
||
for (var j = 0u; j < 4u; j = j + 1u) {
|
||
var cf: array<f32,9>;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { cf[i] = amr_src[i*A.ccount + cs[j]]; }
|
||
let m = macros9(cf);
|
||
rho = rho + ws[j]*m.x;
|
||
ux = ux + ws[j]*m.y;
|
||
uy = uy + ws[j]*m.z;
|
||
var fe0 = feq9(m.x, m.y, m.z);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { neq[i] = neq[i] + ws[j]*(cf[i] - fe0[i]); }
|
||
}
|
||
var fe = feq9(rho, ux, uy);
|
||
// неравновесная часть масштабируется: f^neq ~ tau*dt
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { amr_dst[k*9u + i] = fe[i] + A.r01*neq[i]; }
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_fill(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let k = gid.x;
|
||
if (k >= A.nghost) { return; }
|
||
let g = ghosts[k];
|
||
// временная интерполяция рамки между состояниями L0 «до» и «после» шага
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) {
|
||
amr_dst[i*A.fcount + g.fine] = (1.0 - A.w)*gh_a[k*9u + i] + A.w*gh_b[k*9u + i];
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
@compute @workgroup_size(64)
|
||
fn k_restrict(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3<u32>) {
|
||
let k = gid.x;
|
||
if (k >= A.nrestrict) { return; }
|
||
let pr = rest[k];
|
||
var ff: array<f32,9>;
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) { ff[i] = amr_src[i*A.fcount + pr.y]; }
|
||
let m = macros9(ff);
|
||
var fe = feq9(m.x, m.y, m.z);
|
||
for (var i = 0u; i < 9u; i = i + 1u) {
|
||
amr_dst[i*A.ccount + pr.x] = fe[i] + A.rfc*(ff[i] - fe[i]);
|
||
}
|
||
}
|
||
"#;
|
||
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
// Уровень на устройстве
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
|
||
struct GpuLevel {
|
||
nx: usize,
|
||
ny: usize,
|
||
n: usize,
|
||
f: wgpu::Buffer,
|
||
/// Стабилизатор γ поузлово — нужен для картинки; забирается с устройства как есть.
|
||
gam: wgpu::Buffer,
|
||
bind: wgpu::BindGroup,
|
||
/// число рабочих групп редукции статистики (оно же длина буфера частичных сумм)
|
||
parts_count: u32,
|
||
nlinks: u32,
|
||
}
|
||
|
||
impl GpuLevel {
|
||
fn link_groups(&self) -> u32 {
|
||
ceil_div(self.nlinks.max(1), WG)
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
fn soa_equilibrium(n: usize, u0: (R, R)) -> Vec<f32> {
|
||
let fe = math::feq(1.0, u0.0, u0.1);
|
||
let mut v = vec![0.0f32; 9 * n];
|
||
for i in 0..9 {
|
||
for k in 0..n {
|
||
v[i * n + k] = fe[i] as f32;
|
||
}
|
||
}
|
||
v
|
||
}
|
||
|
||
/// Залить уровень на устройство: поля, маски, линки, β и групповая привязка.
|
||
fn make_level(
|
||
device: &wgpu::Device,
|
||
layout: &wgpu::BindGroupLayout,
|
||
nx: usize,
|
||
ny: usize,
|
||
geom: &cpu::Geom,
|
||
beta: &[f32],
|
||
probe_node: u32,
|
||
flags: u32,
|
||
u0: (R, R),
|
||
) -> GpuLevel {
|
||
let n = nx * ny;
|
||
let init = soa_equilibrium(n, u0);
|
||
let mkf = |label: &str| {
|
||
device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some(label),
|
||
contents: bytemuck::cast_slice(&init),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_SRC
|
||
| wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
})
|
||
};
|
||
let f = mkf("f");
|
||
let post = mkf("post");
|
||
let gam = device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some("gamma"),
|
||
contents: bytemuck::cast_slice(&vec![2.0f32; n]),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_SRC,
|
||
});
|
||
let solid: Vec<u32> = geom.solid.iter().map(|s| *s as u32).collect();
|
||
let solid_buf = storage_init(device, "solid", bytemuck::cast_slice(&solid));
|
||
let links: Vec<GLink> = geom
|
||
.links
|
||
.iter()
|
||
.map(|l| GLink {
|
||
node: l.node,
|
||
far: l.far,
|
||
i: l.i as u32,
|
||
ib: l.ib as u32,
|
||
kind: match l.kind {
|
||
math::LinkKind::Near => 0,
|
||
math::LinkKind::Far => 1,
|
||
math::LinkKind::Simple => 2,
|
||
},
|
||
q: l.q as f32,
|
||
_p: [0; 2],
|
||
})
|
||
.collect();
|
||
let links_buf = storage_init(device, "links", bytemuck::cast_slice(&links));
|
||
let beta_buf = storage_init(device, "beta", bytemuck::cast_slice(beta));
|
||
|
||
let parts_count = ceil_div(n as u32, WG);
|
||
let parts = storage(device, "parts", (parts_count as u64) * 32);
|
||
let params = device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some("level params"),
|
||
contents: bytemuck::bytes_of(&LevelParams {
|
||
n: n as u32,
|
||
nx: nx as u32,
|
||
ny: ny as u32,
|
||
nlinks: links.len() as u32,
|
||
bcx: geom.body_cx as f32,
|
||
bcy: geom.body_cy as f32,
|
||
probe_node,
|
||
flags,
|
||
}),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::UNIFORM,
|
||
});
|
||
|
||
let bind = device.create_bind_group(&wgpu::BindGroupDescriptor {
|
||
label: Some("level"),
|
||
layout,
|
||
entries: &[
|
||
bind(0, &f),
|
||
bind(1, &post),
|
||
bind(2, &gam),
|
||
bind(3, &solid_buf),
|
||
bind(4, &links_buf),
|
||
bind(5, &beta_buf),
|
||
bind(6, &parts),
|
||
bind(7, ¶ms),
|
||
],
|
||
});
|
||
GpuLevel { nx, ny, n, f, gam, bind, parts_count, nlinks: links.len() as u32 }
|
||
}
|
||
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
// Симуляция
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
|
||
pub struct Sim {
|
||
spec: Spec,
|
||
device: wgpu::Device,
|
||
queue: wgpu::Queue,
|
||
adapter_name: String,
|
||
|
||
l0: GpuLevel,
|
||
l1: Option<GpuLevel>,
|
||
pre: wgpu::Buffer,
|
||
|
||
dyn_buf: wgpu::Buffer,
|
||
results_buf: wgpu::Buffer,
|
||
staging: wgpu::Buffer,
|
||
/// по одной группе на подшаг — различаются только индексом подшага в `Substep`
|
||
dyn_binds: Vec<wgpu::BindGroup>,
|
||
|
||
amr: Option<AmrRes>,
|
||
|
||
pipes: Pipes,
|
||
readback: wgpu::Buffer,
|
||
|
||
fluid_count: R,
|
||
step_index: u64,
|
||
d_ref: R,
|
||
}
|
||
|
||
struct AmrRes {
|
||
nghost: u32,
|
||
nrestrict: u32,
|
||
bg_ghost_old: wgpu::BindGroup,
|
||
bg_ghost_new: wgpu::BindGroup,
|
||
bg_fill: Vec<wgpu::BindGroup>,
|
||
bg_restrict: wgpu::BindGroup,
|
||
}
|
||
|
||
struct Pipes {
|
||
collide: wgpu::ComputePipeline,
|
||
stream: wgpu::ComputePipeline,
|
||
bouzidi: wgpu::ComputePipeline,
|
||
walls: wgpu::ComputePipeline,
|
||
channel: wgpu::ComputePipeline,
|
||
force: wgpu::ComputePipeline,
|
||
stats1: wgpu::ComputePipeline,
|
||
stats2: wgpu::ComputePipeline,
|
||
ghost: wgpu::ComputePipeline,
|
||
fill: wgpu::ComputePipeline,
|
||
restrict: wgpu::ComputePipeline,
|
||
empty_bg: wgpu::BindGroup,
|
||
}
|
||
|
||
impl Sim {
|
||
pub fn new(spec: Spec) -> Result<Sim, String> {
|
||
let instance = wgpu::Instance::new(wgpu::InstanceDescriptor {
|
||
backends: wgpu::Backends::PRIMARY,
|
||
..Default::default()
|
||
});
|
||
let adapter = pollster::block_on(instance.request_adapter(&wgpu::RequestAdapterOptions {
|
||
power_preference: wgpu::PowerPreference::HighPerformance,
|
||
compatible_surface: None,
|
||
force_fallback_adapter: false,
|
||
}))
|
||
.ok_or("подходящий GPU-адаптер не найден (нужен Vulkan, DX12 или Metal)")?;
|
||
let info = adapter.get_info();
|
||
let adapter_name = format!("{} ({:?})", info.name, info.backend);
|
||
|
||
let (device, queue) = pollster::block_on(adapter.request_device(
|
||
&wgpu::DeviceDescriptor {
|
||
label: Some("kbc2d"),
|
||
required_features: wgpu::Features::empty(),
|
||
// берём то, что реально умеет адаптер: связке уровня нужно 8 storage-биндингов,
|
||
// downlevel-профиль даёт всего 4
|
||
required_limits: adapter.limits(),
|
||
memory_hints: wgpu::MemoryHints::Performance,
|
||
},
|
||
None,
|
||
))
|
||
.map_err(|e| format!("не удалось получить устройство: {e}"))?;
|
||
|
||
// Условие Града на GPU пока не перенесено. Молча считать по Bouzidi нельзя — это
|
||
// была бы другая физика под тем же ключом, поэтому отказываемся явно.
|
||
if spec.wall == math::WallModel::Grad {
|
||
return Err("--wall grad на GPU не реализован (перенесён только Bouzidi). Запусти с --backend cpu либо оставь --wall bouzidi"
|
||
.into());
|
||
}
|
||
|
||
// ── топология берётся из процессорного бэкенда, а не строится заново ──
|
||
let geom0 = cpu::Geom::build(spec.nx, spec.ny, &spec.body);
|
||
let fluid_count = geom0.solid.iter().filter(|s| !**s).count() as R;
|
||
|
||
let beta0: Vec<f32> = (0..spec.nx)
|
||
.map(|x| {
|
||
if spec.sponge_len == 0 {
|
||
return spec.beta0 as f32;
|
||
}
|
||
let start = spec.nx - 1 - spec.sponge_len;
|
||
let s = math::smoothstep((x as R - start as R) / spec.sponge_len as R);
|
||
let nu = math::nu_of_beta(spec.beta0);
|
||
math::beta_of_nu(nu * (1.0 + (spec.sponge_mult - 1.0) * s)) as f32
|
||
})
|
||
.collect();
|
||
|
||
let module = device.create_shader_module(wgpu::ShaderModuleDescriptor {
|
||
label: Some("kbc2d.wgsl"),
|
||
source: wgpu::ShaderSource::Wgsl(Cow::Borrowed(SHADER)),
|
||
});
|
||
|
||
let bgl_level = level_layout(&device);
|
||
let bgl_dyn = dyn_layout(&device);
|
||
let bgl_amr = amr_layout(&device);
|
||
let bgl_empty = device.create_bind_group_layout(&wgpu::BindGroupLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("empty"),
|
||
entries: &[],
|
||
});
|
||
|
||
let pl_level = device.create_pipeline_layout(&wgpu::PipelineLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("level"),
|
||
bind_group_layouts: &[&bgl_level, &bgl_dyn],
|
||
push_constant_ranges: &[],
|
||
});
|
||
let pl_amr = device.create_pipeline_layout(&wgpu::PipelineLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("amr"),
|
||
bind_group_layouts: &[&bgl_empty, &bgl_empty, &bgl_amr],
|
||
push_constant_ranges: &[],
|
||
});
|
||
|
||
let mk = |layout: &wgpu::PipelineLayout, entry: &str| {
|
||
device.create_compute_pipeline(&wgpu::ComputePipelineDescriptor {
|
||
label: Some(entry),
|
||
layout: Some(layout),
|
||
module: &module,
|
||
entry_point: entry,
|
||
compilation_options: Default::default(),
|
||
cache: None,
|
||
})
|
||
};
|
||
|
||
// ── общие буферы ──
|
||
let dyn_buf = device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some("dyn"),
|
||
size: std::mem::size_of::<Dyn>() as u64,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::UNIFORM | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
});
|
||
// 16 слотов итогов + 8 подшагов по 4 числа на силу
|
||
let results_buf = device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some("results"),
|
||
size: (16 + 8 * 4) * 4,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_SRC,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
});
|
||
let staging = device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some("staging"),
|
||
size: std::mem::size_of::<Results>() as u64,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::MAP_READ | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
});
|
||
|
||
let nsub = spec.refine.max(1);
|
||
let dyn_binds: Vec<wgpu::BindGroup> = (0..nsub)
|
||
.map(|s| {
|
||
let sb = device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some("substep"),
|
||
contents: bytemuck::bytes_of(&Substep { idx: s as u32, _p: [0; 3] }),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::UNIFORM,
|
||
});
|
||
device.create_bind_group(&wgpu::BindGroupDescriptor {
|
||
label: Some("dyn"),
|
||
layout: &bgl_dyn,
|
||
entries: &[bind(0, &dyn_buf), bind(1, &sb), bind(2, &results_buf)],
|
||
})
|
||
})
|
||
.collect();
|
||
|
||
// стартовое поле: либо сразу набегающий поток, либо покой (см. cpu.rs)
|
||
let u0 = if spec.init_uniform {
|
||
let (sn, cs) = spec.flow_angle.sin_cos();
|
||
(spec.units.u_lat * cs, spec.units.u_lat * sn)
|
||
} else {
|
||
(0.0, 0.0)
|
||
};
|
||
|
||
// ── зонд ──
|
||
let (px, py) = spec.probe;
|
||
let probe_on_fine = matches!(spec.patch, Some((ax, bx, ay, by))
|
||
if px >= ax && px <= bx && py >= ay && py <= by)
|
||
&& spec.refine > 1;
|
||
|
||
// ── уровень 0 ──
|
||
let probe0 = if probe_on_fine { 0 } else { py * spec.nx + px };
|
||
let flags0 = 1 | if probe_on_fine { 0 } else { 2 };
|
||
let l0 = make_level(
|
||
&device,
|
||
&bgl_level,
|
||
spec.nx,
|
||
spec.ny,
|
||
&geom0,
|
||
&beta0,
|
||
probe0 as u32,
|
||
flags0,
|
||
u0,
|
||
);
|
||
|
||
let pre = device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some("pre"),
|
||
size: (9 * l0.n * 4) as u64,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
});
|
||
|
||
// ── уровень 1 и AMR ──
|
||
let mut l1 = None;
|
||
let mut amr = None;
|
||
if spec.refine > 1 {
|
||
let (ax, bx, ay, by) = spec.patch.ok_or("refine > 1 требует патч")?;
|
||
let r = spec.refine;
|
||
let body1 = spec.body.refined(r as R, ax as R, ay as R);
|
||
let nfx = r * (bx - ax) + 1;
|
||
let nfy = r * (by - ay) + 1;
|
||
let geom1 = cpu::Geom::build(nfx, nfy, &body1);
|
||
let tau0 = 1.0 / (2.0 * spec.beta0);
|
||
let tau1 = r as R * (tau0 - 0.5) + 0.5;
|
||
let beta1 = vec![(1.0 / (2.0 * tau1)) as f32; nfx];
|
||
let r01 = tau1 / (r as R * tau0);
|
||
let patch = cpu::Patch::new(&spec, &geom0, &geom1.solid, r01);
|
||
|
||
let probe1 = if probe_on_fine { ((py - ay) * r) * nfx + (px - ax) * r } else { 0 };
|
||
let flags1 = if probe_on_fine { 2 } else { 0 };
|
||
let lvl1 =
|
||
make_level(&device, &bgl_level, nfx, nfy, &geom1, &beta1, probe1 as u32, flags1, u0);
|
||
|
||
let ghosts: Vec<GGhost> = patch
|
||
.ghosts()
|
||
.iter()
|
||
.map(|g| GGhost {
|
||
fine: g.fine,
|
||
c00: g.c00,
|
||
c10: g.c10,
|
||
c01: g.c01,
|
||
c11: g.c11,
|
||
tx: g.tx as f32,
|
||
ty: g.ty as f32,
|
||
_p: 0,
|
||
})
|
||
.collect();
|
||
let rest: Vec<[u32; 2]> =
|
||
patch.restrict_pairs().iter().map(|&(c, fi)| [c, fi]).collect();
|
||
|
||
let ghost_bytes = (ghosts.len() * 9 * 4) as u64;
|
||
let gh_old = storage(&device, "gh_old", ghost_bytes);
|
||
let gh_new = storage(&device, "gh_new", ghost_bytes);
|
||
let ghosts_buf = storage_init(&device, "ghosts", bytemuck::cast_slice(&ghosts));
|
||
let rest_buf = storage_init(&device, "rest", bytemuck::cast_slice(&rest));
|
||
let dummy = storage(&device, "dummy", 16);
|
||
|
||
let base = AmrParams {
|
||
nghost: ghosts.len() as u32,
|
||
nrestrict: rest.len() as u32,
|
||
ccount: l0.n as u32,
|
||
fcount: lvl1.n as u32,
|
||
r01: r01 as f32,
|
||
rfc: (1.0 / r01) as f32,
|
||
w: 0.0,
|
||
_pad: 0.0,
|
||
};
|
||
let mk_amr_bg = |src: &wgpu::Buffer,
|
||
dst: &wgpu::Buffer,
|
||
a: &wgpu::Buffer,
|
||
b: &wgpu::Buffer,
|
||
params: AmrParams| {
|
||
let ub = device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some("amr params"),
|
||
contents: bytemuck::bytes_of(¶ms),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::UNIFORM,
|
||
});
|
||
device.create_bind_group(&wgpu::BindGroupDescriptor {
|
||
label: Some("amr"),
|
||
layout: &bgl_amr,
|
||
entries: &[
|
||
bind(0, src),
|
||
bind(1, dst),
|
||
bind(2, &ghosts_buf),
|
||
bind(3, a),
|
||
bind(4, b),
|
||
bind(5, &rest_buf),
|
||
bind(6, &ub),
|
||
],
|
||
})
|
||
};
|
||
|
||
let bg_ghost_old = mk_amr_bg(&pre, &gh_old, &dummy, &dummy, base);
|
||
let bg_ghost_new = mk_amr_bg(&l0.f, &gh_new, &dummy, &dummy, base);
|
||
let bg_fill: Vec<wgpu::BindGroup> = (0..r)
|
||
.map(|s| {
|
||
let mut p = base;
|
||
p.w = ((s + 1) as R / r as R) as f32;
|
||
mk_amr_bg(&dummy, &lvl1.f, &gh_old, &gh_new, p)
|
||
})
|
||
.collect();
|
||
let bg_restrict = mk_amr_bg(&lvl1.f, &l0.f, &dummy, &dummy, base);
|
||
|
||
amr = Some(AmrRes {
|
||
nghost: ghosts.len() as u32,
|
||
nrestrict: rest.len() as u32,
|
||
bg_ghost_old,
|
||
bg_ghost_new,
|
||
bg_fill,
|
||
bg_restrict,
|
||
});
|
||
l1 = Some(lvl1);
|
||
}
|
||
|
||
let pipes = Pipes {
|
||
collide: mk(&pl_level, "k_collide"),
|
||
stream: mk(&pl_level, "k_stream"),
|
||
bouzidi: mk(&pl_level, "k_bouzidi"),
|
||
walls: mk(&pl_level, "k_walls"),
|
||
channel: mk(&pl_level, "k_channel"),
|
||
force: mk(&pl_level, "k_force"),
|
||
stats1: mk(&pl_level, "k_stats1"),
|
||
stats2: mk(&pl_level, "k_stats2"),
|
||
ghost: mk(&pl_amr, "k_ghost"),
|
||
fill: mk(&pl_amr, "k_fill"),
|
||
restrict: mk(&pl_amr, "k_restrict"),
|
||
empty_bg: device.create_bind_group(&wgpu::BindGroupDescriptor {
|
||
label: Some("empty"),
|
||
layout: &bgl_empty,
|
||
entries: &[],
|
||
}),
|
||
};
|
||
|
||
let readback = device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some("readback"),
|
||
size: (9 * l0.n * 4) as u64,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::MAP_READ | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
});
|
||
|
||
let d_ref = match spec.patch {
|
||
Some(_) if spec.refine > 1 => spec.body.d * spec.refine as R,
|
||
_ => spec.body.d,
|
||
};
|
||
|
||
Ok(Sim {
|
||
spec,
|
||
device,
|
||
queue,
|
||
adapter_name,
|
||
l0,
|
||
l1,
|
||
pre,
|
||
dyn_buf,
|
||
results_buf,
|
||
staging,
|
||
dyn_binds,
|
||
amr,
|
||
pipes,
|
||
readback,
|
||
fluid_count,
|
||
step_index: 0,
|
||
d_ref,
|
||
})
|
||
}
|
||
|
||
pub fn name(&self) -> &'static str {
|
||
// сигнатура бэкенда фиксирована; конкретный адаптер печатается отдельно
|
||
Box::leak(format!("GPU: {} , f32", self.adapter_name).into_boxed_str())
|
||
}
|
||
|
||
pub fn force_ref_size(&self) -> R {
|
||
self.d_ref
|
||
}
|
||
|
||
fn inlet(&self, t: u64) -> (R, R) {
|
||
let sp = &self.spec;
|
||
let ramp = if sp.init_uniform {
|
||
1.0
|
||
} else {
|
||
math::smoothstep(t as R / sp.ramp.max(1) as R)
|
||
};
|
||
let u = sp.units.u_lat * ramp;
|
||
let (s, c) = sp.flow_angle.sin_cos();
|
||
let mut uy = u * s;
|
||
if sp.pert_dur > 0 && t >= sp.ramp && t < sp.ramp + sp.pert_dur {
|
||
let ph = (t - sp.ramp) as R / sp.pert_dur as R;
|
||
uy += sp.pert_amp * sp.units.u_lat * (std::f64::consts::PI * ph).sin();
|
||
}
|
||
(u * c, uy)
|
||
}
|
||
|
||
pub fn step(&mut self) -> StepRec {
|
||
let t = self.step_index;
|
||
let (ux_in, uy_in) = self.inlet(t);
|
||
let refine = self.spec.refine.max(1);
|
||
self.queue.write_buffer(
|
||
&self.dyn_buf,
|
||
0,
|
||
bytemuck::bytes_of(&Dyn {
|
||
ux_in: ux_in as f32,
|
||
uy_in: uy_in as f32,
|
||
rho_out: 1.0,
|
||
kbc_model: (self.spec.kbc_model == math::KbcModel::N2) as u32,
|
||
outlet_extrap: self.spec.outlet_extrapolate as u32,
|
||
nparts: self.l0.parts_count,
|
||
refine: refine as u32,
|
||
collision: (self.spec.collision == Collision::Bgk) as u32,
|
||
}),
|
||
);
|
||
|
||
let mut enc = self
|
||
.device
|
||
.create_command_encoder(&wgpu::CommandEncoderDescriptor { label: Some("step") });
|
||
|
||
// «до» — состояние L0 перед столкновением, нужно как старый край рамки патча
|
||
if self.amr.is_some() {
|
||
enc.copy_buffer_to_buffer(&self.l0.f, 0, &self.pre, 0, (9 * self.l0.n * 4) as u64);
|
||
}
|
||
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("L0"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &self.l0.bind, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.dyn_binds[0], &[]);
|
||
let ncell = ceil_div(self.l0.n as u32, WG);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.collide);
|
||
p.dispatch_workgroups(ncell, 1, 1);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.stream);
|
||
p.dispatch_workgroups(ncell, 1, 1);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.bouzidi);
|
||
p.dispatch_workgroups(self.l0.link_groups(), 1, 1);
|
||
// порядок обязателен: стенки снимают заворот по y, затем Zou-He — по x, на весь столбец
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.walls);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(self.l0.nx as u32, WG), 1, 1);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.channel);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(self.l0.ny as u32, WG), 1, 1);
|
||
}
|
||
|
||
if let (Some(l1), Some(a)) = (self.l1.as_ref(), self.amr.as_ref()) {
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("ghost"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.ghost);
|
||
p.set_bind_group(2, &a.bg_ghost_old, &[]);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(a.nghost, WG), 1, 1);
|
||
p.set_bind_group(2, &a.bg_ghost_new, &[]);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(a.nghost, WG), 1, 1);
|
||
}
|
||
let ncell1 = ceil_div(l1.n as u32, WG);
|
||
let nlink1 = l1.link_groups();
|
||
for s in 0..refine {
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("L1"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &l1.bind, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.dyn_binds[s], &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.collide);
|
||
p.dispatch_workgroups(ncell1, 1, 1);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.stream);
|
||
p.dispatch_workgroups(ncell1, 1, 1);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.bouzidi);
|
||
p.dispatch_workgroups(nlink1, 1, 1);
|
||
// силу снимаем на каждом подшаге, усредняется она в k_stats2
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.force);
|
||
p.dispatch_workgroups(1, 1, 1);
|
||
}
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("fill"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_bind_group(2, &a.bg_fill[s], &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.fill);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(a.nghost, WG), 1, 1);
|
||
}
|
||
}
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("restrict"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.pipes.empty_bg, &[]);
|
||
p.set_bind_group(2, &a.bg_restrict, &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.restrict);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(a.nrestrict, WG), 1, 1);
|
||
}
|
||
} else {
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("force L0"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(0, &self.l0.bind, &[]);
|
||
p.set_bind_group(1, &self.dyn_binds[0], &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.force);
|
||
p.dispatch_workgroups(1, 1, 1);
|
||
}
|
||
|
||
{
|
||
let mut p = enc.begin_compute_pass(&wgpu::ComputePassDescriptor {
|
||
label: Some("stats"),
|
||
timestamp_writes: None,
|
||
});
|
||
p.set_bind_group(1, &self.dyn_binds[0], &[]);
|
||
p.set_bind_group(0, &self.l0.bind, &[]);
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.stats1);
|
||
p.dispatch_workgroups(self.l0.parts_count, 1, 1);
|
||
if let Some(l1) = self.l1.as_ref() {
|
||
// на тонком уровне stats1 нужен только чтобы снять зонд (флаг записи сумм снят)
|
||
p.set_bind_group(0, &l1.bind, &[]);
|
||
p.dispatch_workgroups(ceil_div(l1.n as u32, WG), 1, 1);
|
||
p.set_bind_group(0, &self.l0.bind, &[]);
|
||
}
|
||
p.set_pipeline(&self.pipes.stats2);
|
||
p.dispatch_workgroups(1, 1, 1);
|
||
}
|
||
|
||
enc.copy_buffer_to_buffer(
|
||
&self.results_buf,
|
||
0,
|
||
&self.staging,
|
||
0,
|
||
std::mem::size_of::<Results>() as u64,
|
||
);
|
||
self.queue.submit(Some(enc.finish()));
|
||
|
||
let res: Results = self.read_staging();
|
||
self.step_index += 1;
|
||
|
||
let cnt = if res.cnt > 0.0 { res.cnt as R } else { self.fluid_count };
|
||
StepRec {
|
||
step: t,
|
||
fx: res.fx as R,
|
||
fy: res.fy as R,
|
||
tz: res.tz as R,
|
||
uy_probe: res.uy_probe as R,
|
||
rho_mean: res.rho_sum as R / self.fluid_count,
|
||
max_u: res.max_u as R,
|
||
gamma_mean: res.g_sum as R / cnt,
|
||
gamma_min: res.g_min as R,
|
||
gamma_max: res.g_max as R,
|
||
degenerate_frac: res.degen as R / cnt,
|
||
xi_negative_frac: res.xineg as R / cnt,
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
fn read_staging(&self) -> Results {
|
||
let slice = self.staging.slice(..);
|
||
let (tx, rx) = std::sync::mpsc::channel();
|
||
slice.map_async(wgpu::MapMode::Read, move |r| {
|
||
let _ = tx.send(r);
|
||
});
|
||
self.device.poll(wgpu::Maintain::Wait);
|
||
let out = match rx.recv() {
|
||
Ok(Ok(())) => {
|
||
let data = slice.get_mapped_range();
|
||
*bytemuck::from_bytes::<Results>(&data[..std::mem::size_of::<Results>()])
|
||
}
|
||
_ => Results::default(),
|
||
};
|
||
self.staging.unmap();
|
||
out
|
||
}
|
||
|
||
/// Скачать популяции L0 на хост (нужно для кадров и проверки на NaN).
|
||
fn download_l0(&self) -> Vec<f32> {
|
||
self.download(&self.l0.f, (9 * self.l0.n * 4) as u64)
|
||
}
|
||
|
||
/// Скачать произвольный буфер уровня. Буфер приёма выделен один раз при сборке под самый
|
||
/// большой запрос (популяции L0); для меньших читается только его начало.
|
||
fn download(&self, src: &wgpu::Buffer, bytes: u64) -> Vec<f32> {
|
||
let rb = &self.readback;
|
||
let mut enc = self
|
||
.device
|
||
.create_command_encoder(&wgpu::CommandEncoderDescriptor { label: Some("dl") });
|
||
enc.copy_buffer_to_buffer(src, 0, rb, 0, bytes);
|
||
self.queue.submit(Some(enc.finish()));
|
||
|
||
let slice = rb.slice(..);
|
||
let (tx, rx) = std::sync::mpsc::channel();
|
||
slice.map_async(wgpu::MapMode::Read, move |r| {
|
||
let _ = tx.send(r);
|
||
});
|
||
self.device.poll(wgpu::Maintain::Wait);
|
||
let out = match rx.recv() {
|
||
Ok(Ok(())) => {
|
||
let m = slice.get_mapped_range();
|
||
bytemuck::cast_slice::<u8, f32>(&m[..bytes as usize]).to_vec()
|
||
}
|
||
_ => vec![f32::NAN; (bytes / 4) as usize],
|
||
};
|
||
rb.unmap();
|
||
out
|
||
}
|
||
|
||
pub fn is_finite(&self) -> bool {
|
||
self.download_l0().iter().all(|v| v.is_finite())
|
||
}
|
||
|
||
pub fn sample_field(&self, kind: FieldKind) -> (Vec<R>, Vec<bool>) {
|
||
let (nx, ny, n) = (self.l0.nx, self.l0.ny, self.l0.n);
|
||
let raw = self.download_l0();
|
||
let node = |k: usize| -> [R; 9] {
|
||
std::array::from_fn(|i| raw[i * n + k] as R)
|
||
};
|
||
let mut out = vec![0.0; n];
|
||
match kind {
|
||
FieldKind::Speed => {
|
||
for k in 0..n {
|
||
let (_, ux, uy) = math::macros(&node(k));
|
||
out[k] = (ux * ux + uy * uy).sqrt();
|
||
}
|
||
}
|
||
FieldKind::Density => {
|
||
for k in 0..n {
|
||
out[k] = math::macros(&node(k)).0;
|
||
}
|
||
}
|
||
FieldKind::Vorticity => {
|
||
let mut ux = vec![0.0; n];
|
||
let mut uy = vec![0.0; n];
|
||
for k in 0..n {
|
||
let (_, a, b) = math::macros(&node(k));
|
||
ux[k] = a;
|
||
uy[k] = b;
|
||
}
|
||
for y in 0..ny {
|
||
for x in 0..nx {
|
||
let xp = (x + 1).min(nx - 1);
|
||
let xm = x.saturating_sub(1);
|
||
let yp = (y + 1).min(ny - 1);
|
||
let ym = y.saturating_sub(1);
|
||
let dvdx = (uy[y * nx + xp] - uy[y * nx + xm]) / (xp - xm).max(1) as R;
|
||
let dudy = (ux[yp * nx + x] - ux[ym * nx + x]) / (yp - ym).max(1) as R;
|
||
out[y * nx + x] = dvdx - dudy;
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
FieldKind::Gamma => {
|
||
// берём ровно то, что посчитало устройство: пересчёт на хосте с базовым β
|
||
// соврал бы всюду, где β — поле (включённая губка)
|
||
let g = self.download(&self.l0.gam, (n * 4) as u64);
|
||
for k in 0..n {
|
||
out[k] = g[k] as R;
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
let solid = cpu::Geom::build(nx, ny, &self.spec.body).solid;
|
||
(out, solid)
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
// Мелкие помощники
|
||
// ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
|
||
|
||
fn ceil_div(a: u32, b: u32) -> u32 {
|
||
(a + b - 1) / b
|
||
}
|
||
|
||
fn bind(binding: u32, buf: &wgpu::Buffer) -> wgpu::BindGroupEntry<'_> {
|
||
wgpu::BindGroupEntry { binding, resource: buf.as_entire_binding() }
|
||
}
|
||
|
||
fn storage(device: &wgpu::Device, label: &str, size: u64) -> wgpu::Buffer {
|
||
device.create_buffer(&wgpu::BufferDescriptor {
|
||
label: Some(label),
|
||
size: size.max(16),
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
mapped_at_creation: false,
|
||
})
|
||
}
|
||
|
||
fn storage_init(device: &wgpu::Device, label: &str, data: &[u8]) -> wgpu::Buffer {
|
||
let pad;
|
||
let data = if data.is_empty() {
|
||
pad = [0u8; 16];
|
||
&pad[..]
|
||
} else {
|
||
data
|
||
};
|
||
device.create_buffer_init(&wgpu::util::BufferInitDescriptor {
|
||
label: Some(label),
|
||
contents: data,
|
||
usage: wgpu::BufferUsages::STORAGE | wgpu::BufferUsages::COPY_DST,
|
||
})
|
||
}
|
||
|
||
fn ro(binding: u32) -> wgpu::BindGroupLayoutEntry {
|
||
entry(binding, wgpu::BufferBindingType::Storage { read_only: true })
|
||
}
|
||
fn rw(binding: u32) -> wgpu::BindGroupLayoutEntry {
|
||
entry(binding, wgpu::BufferBindingType::Storage { read_only: false })
|
||
}
|
||
fn un(binding: u32) -> wgpu::BindGroupLayoutEntry {
|
||
entry(binding, wgpu::BufferBindingType::Uniform)
|
||
}
|
||
fn entry(binding: u32, ty: wgpu::BufferBindingType) -> wgpu::BindGroupLayoutEntry {
|
||
wgpu::BindGroupLayoutEntry {
|
||
binding,
|
||
visibility: wgpu::ShaderStages::COMPUTE,
|
||
ty: wgpu::BindingType::Buffer { ty, has_dynamic_offset: false, min_binding_size: None },
|
||
count: None,
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
fn level_layout(device: &wgpu::Device) -> wgpu::BindGroupLayout {
|
||
device.create_bind_group_layout(&wgpu::BindGroupLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("level"),
|
||
entries: &[rw(0), rw(1), rw(2), ro(3), ro(4), ro(5), rw(6), un(7)],
|
||
})
|
||
}
|
||
fn dyn_layout(device: &wgpu::Device) -> wgpu::BindGroupLayout {
|
||
device.create_bind_group_layout(&wgpu::BindGroupLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("dyn"),
|
||
entries: &[un(0), un(1), rw(2)],
|
||
})
|
||
}
|
||
fn amr_layout(device: &wgpu::Device) -> wgpu::BindGroupLayout {
|
||
device.create_bind_group_layout(&wgpu::BindGroupLayoutDescriptor {
|
||
label: Some("amr"),
|
||
entries: &[ro(0), rw(1), ro(2), ro(3), ro(4), ro(5), un(6)],
|
||
})
|
||
}
|