An Innovative GPU-Optimized Multiscale Code for High-Fidelity Simulation of Collective Effects in Electron Beams

用于电子束集体效应高保真模拟的创新型 GPU 优化多尺度代码

基本信息

  • 批准号:
    1535641
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-01 至 2020-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This award will lead to development of an innovative computer code for high-fidelity simulation of electron beams, drawing on recent advances in parallel computer architectures and applied mathematics. When electron bunches traveling at nearly the speed of light are forced by accelerator magnets to traverse a curved path, they emit bright ultraviolet or x-ray radiation. This radiation traveling a straight path catches up with the electron beam and can severely degrade its experimental usefulness. The first step in mitigating these damaging effects is to develop a trustworthy computer code capable of simulating the physics of this beam self-interaction. This project will enable the development of such a code. For the society in general, this research is a step in developing ultra-bright light sources which are essential tools for discoveries and innovations in physical, biological, energy and medical sciences. For example, they allow scientists to analyze chemical reactions, molecular structures and provide ways to develop new drugs. By training young researchers, this project will increase the number of much-needed accelerator scientists in the nation and make considerable effort in recruiting qualified female and under-represented minority candidates.Direct simulation of coherent synchrotron radiation (CSR) in two and three dimensions is prohibitively costly in terms of efficiency and memory requirements. Consequently, the present CSR codes employ various approximations that are inadequate for resolving essential physics in many realistic situations. These situations where existing CSR codes fail will become commonplace as the design of next-generation light sources commences. This project will design, benchmark and disseminate to the community a fundamentally new, multiscale, particle-in-cell code for modeling CSR, optimized to run on a parallel computational platform consisting of graphical processing units (GPUs). The code will exploit advantages of casting the problem in wavelet basis: (i) ability to retain information about the dynamics over the hierarchy of scales; (ii) removal of numerical noise by thresholding of the wavelet coefficients; and (iii) compact representation of data and operators, resulting in significant reduction of the computational load. Using NVIDIA's CUDA framework, a number of new code's vital numerical algorithms will be designed to run on a parallel GPU platform, and the successful matching of the algorithms and architecture will lead to code's scalability. The new code will be freely available to the community to enable modeling of a number of different machines.
该奖项将导致开发一种创新的计算机代码,用于对电子梁的高保真模拟,并取决于并行计算机架构和应用数学的最​​新进展。 当电子束几乎以光速行驶的速度被加速器磁铁强迫横穿弯曲路径时,它们会散发出明亮的紫外线或X射线辐射。这种辐射传播的直径沿电子束赶上,并可能严重降低其实验实用性。 减轻这些破坏性效果的第一步是开发可值得信赖的计算机代码,能够模拟该光束自我相互作用的物理。该项目将实现此类代码的开发。对于整个社会而言,这项研究是开发超亮光源的一步,这是为物理,生物,能源和医学科学发现和创新的重要工具。例如,它们允许科学家分析化学反应,分子结构,并提供开发新药的方法。 通过培训年轻的研究人员,该项目将增加全国急需的加速器科学家的数量,并在招募合格的女性和代表性不足的少数候选者方面做出了巨大的努力。在有效的和记忆要求方面,相干同步辐射(CSR)的直接模拟在两个维度和三维方面的成本都具有成本的成本。因此,当前的CSR码采用了各种近似值,这些近似值不足以在许多现实情况下解决基本物理。随着下一代光源的设计开始,现有CSR码失败的情况将变得司空见惯。该项目将设计,基准测试并将其传播到社区,这是一个基本的新的,多尺度的,用于建模CSR的粒子代码,已优化可在由图形处理单元(GPU)组成的并行计算平台上运行。该代码将利用小波施放问题的优势:(i)能够保留有关量表层次结构的动态信息的能力; (ii)通过小波系数的阈值去除数值噪声; (iii)数据和操作员的紧凑表示,从而大大减少了计算负载。使用NVIDIA的CUDA框架,将设计许多新代码的重要数值算法,以在并行的GPU平台上运行,并且算法和体系结构的成功匹配将导致代码的可扩展性。新代码将免费提供给社区,以实现许多不同机器的建模。

项目成果

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