真空電子器件二維粒子模擬GPU加速模擬研究.pdf

1、數(shù)值仿真技術(shù)在真空電子器件的研制方面一直起著關(guān)鍵性的作用，但隨著各種新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝的新型真空電子器件的急迫需求及快速發(fā)展，已有數(shù)值仿真技術(shù)的適用性遇到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，粒子模擬技術(shù)因其特別適合于解決物理規(guī)律不是很清晰與數(shù)學(xué)上分析很困難的問(wèn)題而越發(fā)顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。
　　但粒子模擬仿真非常消耗計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間，對(duì)于復(fù)雜的真空電子器件的仿真過(guò)程，往往需要花費(fèi)數(shù)十個(gè)小時(shí)甚至數(shù)周的時(shí)間，這極大地限制了粒子

2、模擬技術(shù)的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，不過(guò)隨著算法能力的增強(qiáng)和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提升，這一限制正逐漸被消除。
　　GPU是一個(gè)異構(gòu)的多處理器芯片，它擁有大規(guī)模并行的處理器核心，利用其進(jìn)行并行計(jì)算可以大大縮短程序的運(yùn)行時(shí)間。CUDA的出現(xiàn)使編程者無(wú)須掌握復(fù)雜的理論就能利用GPU進(jìn)行并行編程，從而使GPU得到快速地發(fā)展。粒子模擬技術(shù)具有天然的可并行性，因此基于CUDA C/C++語(yǔ)言及其庫(kù)函數(shù)對(duì)已有的粒子模擬程序進(jìn)行GPU并行加速是顯著提高其模擬

3、效率的極其可行的途徑之一。
　　本論文基于真空電子器件應(yīng)用，在x-y坐標(biāo)系下進(jìn)行了2D3V電磁粒子模擬算法的推導(dǎo)、程序編制及驗(yàn)證，然后用GPU對(duì)程序進(jìn)行了并行優(yōu)化。所做的工作主要包括：
　　1.對(duì)粒子模擬技術(shù)在真空電子器件研究中的重要性進(jìn)行介紹，并對(duì)GPU的優(yōu)良性能進(jìn)行說(shuō)明，接著對(duì)粒子模擬算法利用GPU進(jìn)行并行的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述；
　　2.對(duì)GPU體系架構(gòu)與CUDA編程進(jìn)行了總結(jié)與概述；
　　3.推導(dǎo)出x-y坐標(biāo)系下

4、的基于真空電子器件應(yīng)用的2D3V電磁粒子模擬算法，主要包括：網(wǎng)格所屬的電磁場(chǎng)的更新、宏粒子的速度位置的更新以及網(wǎng)格所屬的電流密度的更新等；
　　4.編制了2D3V電磁粒子模擬程序，模擬了兩種注波互作用過(guò)程，并對(duì)模擬結(jié)果與粒子模擬軟件MAGIC模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了編制程序的準(zhǔn)確性；
　　5.針對(duì)上述2D3V電磁粒子模擬程序，建立了GPU加速算法，然后利用CUDA實(shí)現(xiàn)了程序的并行與優(yōu)化，并對(duì)串并行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最后給