光子晶體帶結(jié)構(gòu)計算FDTD方法的GPU實現(xiàn)研究.pdf

1、光子晶體是一種介電常數(shù)及磁導(dǎo)率周期分布的人工材料或結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波在光子晶體中傳播時，受其周期結(jié)構(gòu)的影響，會產(chǎn)生能阻止各個方向波通過的全帶隙。計算光子晶體帶隙是光子晶體理論研究的一個重要領(lǐng)域。時域有限差分(Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)方法是光子晶體帶隙計算的一種常用方法。盡管這種方法有其自身的優(yōu)點和普遍性，但是由于計算精度和數(shù)值穩(wěn)定性要求，F(xiàn)DTD方法一般需采用較細(xì)密的空間網(wǎng)格和較小的時間步長，因

2、而在計算的結(jié)構(gòu)規(guī)模較大時，需消耗大量的計算資源，導(dǎo)致計算較為耗時。然而FDTD方法可以并行執(zhí)行，F(xiàn)DTD整個的計算過程可以很容易的劃分為多個子計算過程，而子計算過程之間同時進(jìn)行著，在計算過程中，僅存在邊界值交換的問題。因此，F(xiàn)DTD是一種天然的并行計算方法，特別適用于多線程并行加速計算。在這項工作里面，我們在圖形處理器(Graphics processor unit，GPU)上實現(xiàn)對光子晶體帶隙的計算，GPU特別適合于高度并行以及數(shù)據(jù)密

3、集型任務(wù)型的計算。統(tǒng)一設(shè)備計算架構(gòu)(CompureUnified Device Architecture，CUDA)是最新的可編程多線程的通用GPU計算模型，CUDA架構(gòu)被NIVDIA公司提出后更使得GPU的應(yīng)用擴(kuò)展到各個領(lǐng)域。基于CUDA的多線程并行計算解決方案，能夠很好地將FDTD算法在GPU上有效實現(xiàn)。傳統(tǒng)的串行時域有限差分算法在每一步時域迭代過程中逐點迭代運算，在編程中采用多重循環(huán)來求解FDTD計算區(qū)域的每一個元胞;而基于GPU

4、并行的FDTD加速算法，就是將上述串行逐步迭代的計算問題并行化。CUDA架構(gòu)中，被抽象化的線程并行操作一個或若干個Yee格點的迭代計算，這充分利用了GPU硬件中含有成百上千乃至上萬個執(zhí)行單元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）的優(yōu)勢，從而并行化地完成所有Yee原胞在計算區(qū)域所需的乘法和加法計算，最終得以提高計算速度。這項工作是在GTX650顯卡以及英特爾I5酷睿CPU上完成的。文中給出了技術(shù)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，同時給出