[发明专利]基于GPU并行架构的束流轰击颗粒的能量沉积仿真方法

说明书

本公开提供了一种基于GPU并行架构对束流轰击颗粒后的能量沉积进行仿真的方法，包括：计算束流在轰击均匀物质后能量沉积的线功率密度；计算束流能量网格的每个能量子网格的体功率密度；线程并行计算各个计算子网格的位置坐标，确定各个计算子网格是否与颗粒发生作用，并修改标记数组中与发生作用的计算子网格对应的元素值；根据标记数组确定对应的局部偏移量；将第一计数器的计数值与局部偏移相加以获得读取束流能量网格的位置信息，并且仅在线程所对应的标记数组中的元素值指示了与颗粒发生作用时，根据位置信息读取束流能量网格上对应的能量子网格的体功率密度，利用体功率密度计算该能量子网格具有的能量，将该能量沉积在颗粒上。

技术领域

本公开实施例涉及仿真方法，具体涉及基于GPU并行计算架构的高能束流轰击颗粒的能量沉积仿真方法。

背景技术

放射束流(包括重离子、光子、电子等)已广泛应用于人们的生产生活以及科学研究等领域中。在束流与物质的相互作用中，能量如何沉积输运是人们关注的焦点之一也是束流应用的理论基础。传统的束流输运软件主要是针对连续介质的，而在实际的生产以及科研实践中，会遇到大量的非连续介质的情况，例如颗粒系统。密集颗粒流靶，就是这样一种系统。传统的针对连续材料的束流能量输运软件难以处理此类问题，而且对于运动状态的介质，需要实时更新位置信息等，使得传统能量输运软件的运算效率难以满足实际的模拟需求。因此，怎样实现对不连续介质的束流高效耦合算法，是实现此类系统模拟的关键。

目前对于不连续介质的模拟，广泛采用离散单元方法(DEM)。该方法非常适用于图形处理单元(GPU)或者集成众核(MIC——等类似众核平台的大规模并行，以提高效率。

发明内容

本公开提供了基于以DEM方法和众核平台为基础的高效束流能量沉积仿真方法，具体是基于GPU并行计算架构的高能束流轰击颗粒的能量沉积仿真方法，该方法能够显著提高颗粒-束流耦合模拟计算速度和精度。

根据本公开一方面，提供了一种基于图形处理单元(GPU)并行架构对束流轰击颗粒后的能量沉积进行仿真的方法，包括如下步骤：a.初始化，包括：计算束流在轰击均匀物质后能量沉积的线功率密度并保存为线功率密度文件；设置包括多个能量子网格的束流能量网格；设置包括多个束流子通道和多个计算子网格的束流计算网格；分配多个GPU线程块，线程块的数量等于束流子通道的数量，每个线程块包括多个线程；设置第一计数器和第二计数器，第一和第二计数器的各个计数值分别指示对应束流子通道上的当前处理的能量子网格和计算子网格；以及为每个线程块分配一个标记数组；b.读取线功率密度文件，并根据每个能量子网格的大小计算每个能量子网格的体功率密度；c.所述多个线程块的所有线程执行并行处理，使得每个线程块中的多个线程并行计算对应的束流子通道中的各个计算子网格的位置坐标，根据所计算的位置坐标确定各个计算子网格是否与颗粒发生作用，并且对于发生作用的计算子网格，修改标记数组中与该计算子网格对应的元素值，以指示该计算子网格与颗粒发生作用；d.每个线程块中的多个线程根据标记数组确定对应的局部偏移量；e.每个线程块中的多个线程将第一计数器中的对应计数值与对应的局部偏移相加以获得读取束流能量网格的位置信息，并且仅在线程所对应的标记数组中的元素值指示了与颗粒发生作用时，该线程才根据位置信息读取束流能量网格上对应的能量子网格的体功率密度，利用体功率密度计算该能量子网格具有的能量，将该能量沉积在颗粒上；以及f.更新第一和第二计数器的计数值，以针对后续的能量子网格和计算子网格，重复步骤c、e和d，直到第一计数器的计数值不小于能量子网格的数目或者第二计数器的计数值不小于对应束流子通道上的计算子网格的数目。

根据实施例，在步骤a，计算束流入射均匀物质后在不同深度的能量沉积线功率密度分布并保存成为三元组格式文件，该文件用于计算在束流入射方向上，随着入射深度增加能量在空间内分布的体功率密度，每个三元组表示束流入射方向上的一个区间以及在该区间上沉积在物质上的能量密度。