真空电子器件二维粒子模拟的多核TBB加速模拟研究

作     者：文林 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金晓林

授予年度：2017年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：真空电子器件 PIC MAGIC 线程构建模块 

摘      要：真空电子器件作为微波电子系统的核心器件,在国防和国民经济领域有广泛应用。在新型真空电子器件的研究过程中,涉及新的、复杂的非线性问题,常规参量化模拟无法得到准确结果,但此类问题可由粒子模拟(particle-in-cell,PIC)方法得到准确描述。PIC方法已经成功应用于真空电子器件的研制中,但此方法由于其模拟过程耗时长、效率低而导致其发展受限。考虑到PIC方法的天然并行性,对其进行并行加速是消除其应用限制的可行途径之一。目前,多核计算机得到普及,Intel线程构建模块(Threading Building Blocks,TBB)作为并行开发工具,可以充分利用多核处理器资源,在不破坏已有模拟程序的情况下,实现对程序模块的并行优化,极大地保证了对现有模拟程序的充分利用,且兼容性良好。因此,本文以PIC方法和多核Intel TBB并行技术为基础,先对真空电子器件进行串行模拟,并使用粒子模拟软件MAGIC进行验证,然后再对串行模拟程序作多核TBB并行优化。主要内容包括:1.介绍课题的背景和意义,概述真空电子器件、PIC方法以及加速模拟的发展动态;2.综述现有的并行计算,阐明Intel TBB线程构建模块的并行优势,并对其作简单介绍;3.详细阐述二维直角坐标系下的电磁粒子模拟(2D XY PIC)算法。主要包括:电磁场计算、推动粒子运动以及电流密度计算等;4.以上述电磁粒子模拟算法为基础,完成程序的编写、调试与测试;并利用模拟软件MAGIC进行对比验证;建立电磁粒子模拟程序的多核TBB并行加速方案,完成程序的并行及优化;5.通过对比串、并行程序的计算结果,验证了并行程序的准确性,并对多核TBB并行性能进行分析。