文/張智磊 齊新 齊記 周慶國(guó)

超級(jí)計(jì)算參與加速器應(yīng)用

文/張智磊1齊新1齊記1周慶國(guó)2

1932年由美國(guó)科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛(ài)爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton）建立的第一臺(tái)直流質(zhì)子加速器為閃爍的近代物理世界掀開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。在隨后的幾十年中，加速器發(fā)展迅速，在自身理論發(fā)展和完善的同時(shí)，廣泛地帶動(dòng)了物理、化學(xué)、生物等科學(xué)的迅速發(fā)展。各式各樣的不同構(gòu)造、不同應(yīng)用背景的加速器為其他學(xué)科提供了一種先進(jìn)又可靠的實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)了物理以及其他交叉學(xué)科的快速發(fā)展。

超級(jí)計(jì)算的出現(xiàn)，對(duì)加速器的迫切發(fā)展提供了及時(shí)而有力的支持。因?yàn)榧铀倨鲗?duì)帶電粒子的加速是一個(gè)復(fù)雜而且迅速的過(guò)程，所以在加速器設(shè)計(jì)過(guò)程中，獲取粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)和工程方面是一個(gè)很大的難題。

加速器的出現(xiàn)

加速器是一種可以將帶電粒子加速到能量很高的實(shí)驗(yàn)裝置。在近代加速器發(fā)展過(guò)程中，加速器物理發(fā)展成一門(mén)獨(dú)立的科學(xué)，而加速器建設(shè)本身也是一項(xiàng)宏偉而充滿挑戰(zhàn)的大科學(xué)工程。加速器本身在核物理、高能物理和功率生成等應(yīng)用方面，它有著不可替代的地位，而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、同步輻射、干涉輻射、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、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(shù)是目前我國(guó)最前沿、最有效、最成功的癌病治療技術(shù)，為推動(dòng)國(guó)家醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的又好又快發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)；通過(guò)合理能量的粒子束或x射線照射手段實(shí)現(xiàn)的輻照育種、輻照保鮮等技術(shù)不會(huì)有殘余放射性，有很大的應(yīng)用前景，為促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)；通過(guò)加速器獲得自由電子激光的技術(shù)，可以應(yīng)用在飛機(jī)與艦船隱形的研究中，在毫米波激光雷達(dá)、反隱形軍事目標(biāo)和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應(yīng)用價(jià)值，是維護(hù)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整的堅(jiān)強(qiáng)技術(shù)保障。

超級(jí)計(jì)算的出現(xiàn)，對(duì)加速器的發(fā)展提供了及時(shí)而有力的支持。因?yàn)榧铀倨鲗?duì)帶電粒子的加速是一個(gè)復(fù)雜而且迅速的過(guò)程，所以在加速器設(shè)計(jì)過(guò)程中，獲取粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)和工程方面是一個(gè)很大的難題。通過(guò)在純粹的實(shí)驗(yàn)層面設(shè)計(jì)加速器而得到符合設(shè)計(jì)需求的粒子束，是基本不可能實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)過(guò)程必須借助計(jì)算機(jī)模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)手段完成對(duì)加速器中束流狀態(tài)的模擬就是加速器束流模擬。加速器束流模擬在加速器設(shè)計(jì)階段，通過(guò)計(jì)算模擬束流在加速器中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與形態(tài)，為調(diào)節(jié)加速器不同部件的參數(shù)提供了有力的依據(jù)，可以更為直觀地給出束流在加速器中的變化趨勢(shì)。超級(jí)計(jì)算在加速器束流模擬方面，為模擬過(guò)程提供了更寬廣的應(yīng)用前景。

超級(jí)計(jì)算在加速器束流模擬過(guò)程主要有以下幾方面的契機(jī)：

1. 超級(jí)計(jì)算卓越而出眾的空間分配特性，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)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(guò)程中，我們需要對(duì)在加速器中運(yùn)行的粒子逐個(gè)分析，通過(guò)計(jì)算來(lái)獲取該粒子的位置，速度，能量等信息的變化。在粒子數(shù)量很大的時(shí)候，對(duì)這些數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)是很困難的。集群計(jì)算為模擬過(guò)程提供了很好的應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)對(duì)粒子信息的收集分析，分配到逐個(gè)終端中，可以很有效地解決內(nèi)存空間短缺的問(wèn)題。在加速器束流模擬過(guò)程中，可以更真實(shí)地模擬粒子加速過(guò)程。

2. 超級(jí)計(jì)算快速而高效的計(jì)算能力，為計(jì)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(shè)計(jì)過(guò)程中，出于對(duì)計(jì)算消耗的考慮，對(duì)加速器內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)所占用的空間和時(shí)間劃分并不是很細(xì)致。過(guò)為緊密的空間和時(shí)間劃分，對(duì)計(jì)算成本有很大的消耗。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要尋找加速器束流模型空間、時(shí)間設(shè)計(jì)與所對(duì)應(yīng)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的平衡點(diǎn)。而超級(jí)計(jì)算的出現(xiàn)，依靠它卓越的計(jì)算處理能力，可以很好地處理這個(gè)矛盾。在加速器束流模擬過(guò)程，更為細(xì)致的空間描述，更為精密的時(shí)間劃分，對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程分析可以更為客觀。對(duì)加速器中的粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的細(xì)膩描述，是超級(jí)計(jì)算所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。

3. 在超級(jí)計(jì)算中多線程并行技術(shù)的應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，我們有很多經(jīng)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(jì)算而生，并行技術(shù)為之大顯身手提供了廣闊的舞臺(tái)。與計(jì)算設(shè)備硬件匹配的物理模型和算法設(shè)計(jì)，可以盡可能地提高軟件的并行效率，從而使模擬計(jì)算效率提升很多倍。這個(gè)契機(jī)為加速器模擬提供了很多新的思路和手段，這是未來(lái)加速器束流模擬的發(fā)展方向。

圖1 束流經(jīng)過(guò)中能段后的狀態(tài)

加速器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

中國(guó)科學(xué)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(shè)和維護(hù)而開(kāi)發(fā)加速器束流模擬軟件。該模擬軟件在深騰7000G超級(jí)計(jì)算集群上采用PIC(Particle-in-cell)質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格方法開(kāi)發(fā)，利用超級(jí)計(jì)算優(yōu)異的性能，更高效、更細(xì)致、更真實(shí)的模擬全加速器過(guò)程束流的運(yùn)動(dòng)軌跡與形態(tài)。深騰7000G是CPU/GPU混合集群，支持GPU程序開(kāi)發(fā)。

在加速器束流模擬軟件集群開(kāi)發(fā)方面，我們主要做了以下設(shè)計(jì)：

1. 針對(duì)CPU/GPU混合集群的硬件結(jié)構(gòu)，合理的劃分和設(shè)計(jì)模擬過(guò)程的算法結(jié)構(gòu)。在大規(guī)模并行尤其是數(shù)據(jù)并行計(jì)算領(lǐng)域，GPU擁有CPU所無(wú)法比擬的處理能力。針對(duì)CPU/GPU混合硬件架構(gòu)，對(duì)加速器束流模擬設(shè)計(jì)可靠的算法結(jié)構(gòu)，有針對(duì)性地統(tǒng)籌安排CPU和GPU所負(fù)責(zé)的加速器模擬中的各個(gè)部分，高效的利用GPU的運(yùn)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(fā)揮超算集群的硬件結(jié)構(gòu)特性。

2. 發(fā)揮超級(jí)計(jì)算高效的計(jì)算和處理能力，更為細(xì)致地描述全加速器中粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。細(xì)化物理過(guò)程的同時(shí)，通過(guò)對(duì)超級(jí)計(jì)算特性的把握，使集群的計(jì)算能力得到最大的發(fā)揮，更為真實(shí)的、細(xì)致的描述加速器中粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在對(duì)空間和時(shí)間的劃分中，采用更為緊密的空間描述和時(shí)間描述方式；在對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬中間提高粒子的數(shù)量，充分考慮粒子與粒子之間的相互作用，為加速器設(shè)計(jì)提供更精確、可靠的模擬結(jié)果。

3. 發(fā)揮超級(jí)計(jì)算并行技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在物理模型和關(guān)鍵算法的選擇和設(shè)計(jì)上，采用更適合并行處理的方法。統(tǒng)一物理模型結(jié)構(gòu)和集群硬件結(jié)構(gòu)，提高模擬軟件的并行效率，用并行的手段描述物理過(guò)程，在軟件結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)加速器束流模擬的全并行。深入研究加速器束流模擬的關(guān)鍵算法，優(yōu)化關(guān)鍵算法的并行結(jié)構(gòu)，更有效地完成關(guān)鍵算法的并行求解過(guò)程。并對(duì)常用算法，開(kāi)發(fā)適用范圍更廣、效率更高的并行算法程序包。在準(zhǔn)確地描述加速器束流模擬的前提下，使并行技術(shù)和加速器束流模擬達(dá)到完美結(jié)合。

目前，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所超算中心在加速器束流模擬過(guò)程已取得初步成果。在加速器束流的中能段模擬過(guò)程中，束流經(jīng)過(guò)加速器中能段加速后，束流完成預(yù)期設(shè)計(jì)的變化結(jié)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(jí)計(jì)算推動(dòng)著科技的發(fā)展與進(jìn)步。在加速器束流模擬方面，超級(jí)計(jì)算已然做了很多，它給我們帶來(lái)了太多的驚喜。而在超級(jí)計(jì)算闊步前進(jìn)的過(guò)程中，相信在我們的共同努力下，超級(jí)計(jì)算可以幫助加速器束流模擬走地更遠(yuǎn)，展現(xiàn)更美好的明天。

（作者單位：1為中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所；2為蘭州大學(xué)）