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文檔簡介
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越多的挑戰(zhàn)。與此同時,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)上分析很困難的問題而越發(fā)顯現(xiàn)出優(yōu)勢。
但粒子模擬仿真非常消耗計(jì)算機(jī)資源和時間,對于復(fù)雜的真空電子器件的仿真過程,往往需要花費(fèi)數(shù)十個小時甚至數(shù)周的時間,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)行時間。CUDA的出現(xiàn)使編程者無須掌握復(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++語言及其庫函數(shù)對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對程序進(jìn)行了并行優(yōu)化。所做的工作主要包括:
1.對粒子模擬技術(shù)在真空電子器件研究中的重要性進(jìn)行介紹,并對GPU的優(yōu)良性能進(jìn)行說明,接著對粒子模擬算法利用GPU進(jìn)行并行的優(yōu)勢進(jìn)行闡述;
2.對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程,并對模擬結(jié)果與粒子模擬軟件MAGIC模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了編制程序的準(zhǔn)確性;
5.針對上述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,并對串并行結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,最后給
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