Компьютерное моделирование процесса синтеза углеродных наноструктур с применением технологий параллельного программирования

Аннотация

Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам углеродные наноструктуры привлекают все большее внимание исследователей из различных областей деятельности человека. В статье рассмотрен вопрос использования численных методов решения моделей процессов образования различных наноструктур. Задача моделирования синтеза углеродных наноструктур декомпозирована на шесть подзадач, и проанализировано время, затрачиваемое на их решение. Высказано предположение, что наиболее продуктивной является оптимизация алгоритма расчета параметров электромагнитного поля, поскольку на решение данной подзадачи затрачивается наибольшее машинное время. Показано, что современные математические модели, применяемые для описания процесса синтеза углеродных наноструктур, характеризуются высокой размерностью, вследствие чего возникают проблемы при вычислении параметров моделей. Причем результат низкой эффективности вычислений сильнее проявляется, если использовать для расчета параллельный подход, так как вычислительные потоки приходится периодически останавливать для выявления достижения условия останова. Предположено использование распределенных параллельных структур, которые позволят обеспечить распараллеливание вычислительных процессов в распределенной вычислительной среде. Для решения данной задачи использован метод параллельного программирования. Предложен алгоритм параллельных вычислений и его реализация в виде набора сценариев на языке Python, выполняющих нахождение численных значений потенциала куба плазмы заданной размерности за определенное число итераций. Использование предлагаемого подхода оптимизации процесса вычислений применимо для случая метода крупных частиц, его определяет последовательное использование эйлерового и лагранжевого подходов, что и позволяет осуществлять распараллеливание алгоритма. Предлагаемая техника распараллеливания может быть использована при переходе из узлов расчетной сетки ко взаимодействию расчетных крупных частиц, также применима для решения задач по методу частиц в ячейках Харлоу.