超級計算參與加速器應用

文/張智磊 齊新 齊記 周慶國

超級計算參與加速器應用

文/張智磊1齊新1齊記1周慶國2

1932年由美國科學家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學家沃爾頓(E.T.S.Walton）建立的第一臺直流質子加速器為閃爍的近代物理世界掀開了嶄新的一頁。在隨后的幾十年中，加速器發展迅速，在自身理論發展和完善的同時，廣泛地帶動了物理、化學、生物等科學的迅速發展。各式各樣的不同構造、不同應用背景的加速器為其他學科提供了一種先進又可靠的實驗手段，促進了物理以及其他交叉學科的快速發展。

超級計算的出現，對加速器的迫切發展提供了及時而有力的支持。因為加速器對帶電粒子的加速是一個復雜而且迅速的過程，所以在加速器設計過程中，獲取粒子的運動形態和運動過程在實驗和工程方面是一個很大的難題。

加速器的出現

加速器是一種可以將帶電粒子加速到能量很高的實驗裝置。在近代加速器發展過程中，加速器物理發展成一門獨立的科學，而加速器建設本身也是一項宏偉而充滿挑戰的大科學工程。加速器本身在核物理、高能物理和功率生成等應用方面，它有著不可替代的地位，而在工業、農業、同步輻射、干涉輻射、醫學、環境保護、軍事等方面也有著舉足輕重的作用。例如，基于加速器裝置的重離子治癌技術是目前我國最前沿、最有效、最成功的癌病治療技術，為推動國家醫療衛生事業和社會經濟的又好又快發展作出了積極貢獻；通過合理能量的粒子束或x射線照射手段實現的輻照育種、輻照保鮮等技術不會有殘余放射性，有很大的應用前景，為促進我國農業的發展做出了很大貢獻；通過加速器獲得自由電子激光的技術，可以應用在飛機與艦船隱形的研究中，在毫米波激光雷達、反隱形軍事目標和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應用價值，是維護國家主權和領土完整的堅強技術保障。

超級計算的出現，對加速器的發展提供了及時而有力的支持。因為加速器對帶電粒子的加速是一個復雜而且迅速的過程，所以在加速器設計過程中，獲取粒子的運動形態和運動過程在實驗和工程方面是一個很大的難題。通過在純粹的實驗層面設計加速器而得到符合設計需求的粒子束，是基本不可能實現的。這個過程必須借助計算機模擬來實現。通過計算機手段完成對加速器中束流狀態的模擬就是加速器束流模擬。加速器束流模擬在加速器設計階段，通過計算模擬束流在加速器中的運動過程與形態，為調節加速器不同部件的參數提供了有力的依據，可以更為直觀地給出束流在加速器中的變化趨勢。超級計算在加速器束流模擬方面，為模擬過程提供了更寬廣的應用前景。

超級計算在加速器束流模擬過程主要有以下幾方面的契機：

1. 超級計算卓越而出眾的空間分配特性，對存儲數據量需求極大的加速器束流模擬提供了有力的支持。加速器束流模擬過程中，我們需要對在加速器中運行的粒子逐個分析，通過計算來獲取該粒子的位置，速度，能量等信息的變化。在粒子數量很大的時候，對這些數據的記錄和存儲是很困難的。集群計算為模擬過程提供了很好的應用平臺，通過對粒子信息的收集分析，分配到逐個終端中，可以很有效地解決內存空間短缺的問題。在加速器束流模擬過程中，可以更真實地模擬粒子加速過程。

2. 超級計算快速而高效的計算能力，為計算消耗極大的加速器束流模擬提供了良好的硬件條件。在早期加速器束流模擬程序設計過程中，出于對計算消耗的考慮，對加速器內粒子運動所占用的空間和時間劃分并不是很細致。過為緊密的空間和時間劃分，對計算成本有很大的消耗。所以在設計過程中，需要尋找加速器束流模型空間、時間設計與所對應計算開銷的平衡點。而超級計算的出現，依靠它卓越的計算處理能力，可以很好地處理這個矛盾。在加速器束流模擬過程，更為細致的空間描述，更為精密的時間劃分，對粒子運動的過程分析可以更為客觀。對加速器中的粒子運動過程的細膩描述，是超級計算所獨有的優點。

3. 在超級計算中多線程并行技術的應用，可以為加速器束流模擬提供更好的物理模型和算法支持。在加速器束流模擬的物理模型和算法模型設計時，我們有很多經典的模型和算法可以選擇。而這些模型和算法中似乎有很多就是為并行計算而生，并行技術為之大顯身手提供了廣闊的舞臺。與計算設備硬件匹配的物理模型和算法設計，可以盡可能地提高軟件的并行效率，從而使模擬計算效率提升很多倍。這個契機為加速器模擬提供了很多新的思路和手段，這是未來加速器束流模擬的發展方向。

圖1 束流經過中能段后的狀態

加速器的應用與設計

中國科學院近代物理研究所超算中心依托于蘭州重離子加速器圍繞加速器建設和維護而開發加速器束流模擬軟件。該模擬軟件在深騰7000G超級計算集群上采用PIC(Particle-in-cell)質點網格方法開發，利用超級計算優異的性能，更高效、更細致、更真實的模擬全加速器過程束流的運動軌跡與形態。深騰7000G是CPU/GPU混合集群，支持GPU程序開發。

在加速器束流模擬軟件集群開發方面，我們主要做了以下設計：

1. 針對CPU/GPU混合集群的硬件結構，合理的劃分和設計模擬過程的算法結構。在大規模并行尤其是數據并行計算領域，GPU擁有CPU所無法比擬的處理能力。針對CPU/GPU混合硬件架構，對加速器束流模擬設計可靠的算法結構，有針對性地統籌安排CPU和GPU所負責的加速器模擬中的各個部分，高效的利用GPU的運算能力的前提下，盡可能地使加速器束流模擬軟件最大的發揮超算集群的硬件結構特性。

2. 發揮超級計算高效的計算和處理能力，更為細致地描述全加速器中粒子的運動過程。細化物理過程的同時，通過對超級計算特性的把握，使集群的計算能力得到最大的發揮，更為真實的、細致的描述加速器中粒子的運動過程。在對空間和時間的劃分中，采用更為緊密的空間描述和時間描述方式；在對粒子運動過程的模擬中間提高粒子的數量，充分考慮粒子與粒子之間的相互作用，為加速器設計提供更精確、可靠的模擬結果。

3. 發揮超級計算并行技術的優點。在物理模型和關鍵算法的選擇和設計上，采用更適合并行處理的方法。統一物理模型結構和集群硬件結構，提高模擬軟件的并行效率，用并行的手段描述物理過程，在軟件結構上實現加速器束流模擬的全并行。深入研究加速器束流模擬的關鍵算法，優化關鍵算法的并行結構，更有效地完成關鍵算法的并行求解過程。并對常用算法，開發適用范圍更廣、效率更高的并行算法程序包。在準確地描述加速器束流模擬的前提下，使并行技術和加速器束流模擬達到完美結合。

目前，中國科學院近代物理研究所超算中心在加速器束流模擬過程已取得初步成果。在加速器束流的中能段模擬過程中，束流經過加速器中能段加速后，束流完成預期設計的變化結果(圖1)，圖中是束流在x、y、z方向的相圖和x-y方向的分布。

超級計算推動著科技的發展與進步。在加速器束流模擬方面，超級計算已然做了很多，它給我們帶來了太多的驚喜。而在超級計算闊步前進的過程中，相信在我們的共同努力下，超級計算可以幫助加速器束流模擬走地更遠，展現更美好的明天。

（作者單位：1為中國科學院近代物理研究所；2為蘭州大學）