新型电真空器件的GPU-PIC模拟研究

摘要

随着对高性能电真空器件需求指标的日益提升，促进了各种新型电真空器件的快速发展，然而由于新型电真空器件大多采用新型高频结构，使得传统的大信号程序应用受限甚至不再适用，三维电磁粒子模拟（PIC）成为主要的仿真手段但其效率极为低下，在这种情况下，PIC方法和GPU并行技术的结合有望成为可行且高效的仿真手段。PIC方法依照真实设计的新型真空器件的边界条件和初始条件，直接求解有源麦克斯韦方程组和相对论洛伦兹运动方程，能够准确分析其物理过程演进的真实状态；GPU并行技术利用GPU芯片大规模的并行处理器核心，能够将计算密集型任务进行高度的并行化，极大提升程序的计算效率，提高PIC方法的工程应用价值。 本论文从上述研究背景及研究需求出发，基于新型电真空器件对PIC方法和GPU技术的利用进行了深入研究，主要包含以下几个方面： 1.详细介绍了真空电子器件在社会发展进程中的重要作用，广泛调研了电磁粒子模拟软件在国内外的研究现状，指出了PIC方法及GPU技术的利用在新型电真空器件研制中的优势与意义，为本论文的研究工作奠定了基础。 2.以作者所在团队开发的冷腔场串行代码为基础，根据PIC串并行程序实际设计需求，选取了合适的粒子推动算法和电流源分配算法，给出了三维电磁PIC模拟流程中核心步骤的算法推导。 3.深入分析了PIC方法电磁模型的模拟流程，给出了粒子运动模块与电流源分配模块的细节处理，建立了PIC串行程序的整体实现方案，然后在冷腔场程序的基础上进一步开发了推动粒子运动模块和电流源密度分配模块程序，实现了基于新型电真空器件的PIC串行程序。 4.建立了折叠波导互作用模型，同时以商业软件CST为参照进行了仿真验证，给出了对比验证结果和误差分析，确保了串行PIC程序的准确性。 5.深入剖析了PIC方法中计算密集型模块，针对各个模块的具体情形制订了合理的并行方案，在GPU上实现了并行PIC程序开发，然后分别以串行程序和并行程序对折叠波导互作用结构进行了仿真模拟，给出了对比验证结果和误差分析，保证了并行程序的正确性；最后，对并行程序进行了加速比测试和分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 粒子模拟方法及国内外粒子模拟软件研究现状

1.2.1 粒子模拟方法概述

1.2.2 国内外粒子模拟软件研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 基于三维直角坐标系下的粒子模拟算法

2.1 电磁波时域有限差分算法

2.2 相对论牛顿洛伦兹粒子运动算法

2.2.1 粒子所在位置处电磁场求解算法

2.2.2 粒子运动分步求解算法

2.3 电流源分配算法

2.4 本章小结

第三章 串行程序实现及其模型分析

3.1 串行程序实现概述

3.1.1 串行PIC方法电磁模型基本思路

3.1.2粒子运动模块串行验证

3.2串行程序模型仿真验证

3.3本章小结

第四章 并行程序实现及其模型分析

4.1 GPU及CUDA简介

4.2 并行程序实现概述

4.2.1 并行PIC方法电磁模型基本思路

4.2.2电磁场模块并行方案

4.2.3粒子运动模块并行方案

4.2.3电流源分配模块并行方案

4.3 并行程序模型仿真验证

4.4 加速比分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果