加速器的应用与设计

　　中国科学院近代物理研究所超算中心依托于兰州重离子加速器围绕加速器建设和维护而开发加速器束流模拟软件。该模拟软件在深腾7000G超级计算集群上采用PIC(Particle-in-cell)质点网格方法开发，利用超级计算优异的性能，更高效、更细致、更真实的模拟全加速器过程束流的运动轨迹与形态。深腾7000G是CPU/GPU混合集群，支持GPU程序开发。

　　在加速器束流模拟软件集群开发方面，我们主要做了以下设计：

　　1. 针对CPU/GPU混合集群的硬件结构，合理的划分和设计模拟过程的算法结构。在大规模并行尤其是数据并行计算领域，GPU拥有CPU所无法比拟的处理能力。针对CPU/GPU混合硬件架构，对加速器束流模拟设计可靠的算法结构，有针对性地统筹安排CPU和GPU所负责的加速器模拟中的各个部分，高效的利用GPU的运算能力的前提下，尽可能地使加速器束流模拟软件最大的发挥超算集群的硬件结构特性。

　　2. 发挥超级计算高效的计算和处理能力，更为细致地描述全加速器中粒子的运动过程。细化物理过程的同时，通过对超级计算特性的把握，使集群的计算能力得到最大的发挥，更为真实的、细致的描述加速器中粒子的运动过程。在对空间和时间的划分中，采用更为紧密的空间描述和时间描述方式；在对粒子运动过程的模拟中间提高粒子的数量，充分考虑粒子与粒子之间的相互作用，为加速器设计提供更精确、可靠的模拟结果。

　　3. 发挥超级计算并行技术的优点。在物理模型和关键算法的选择和设计上，采用更适合并行处理的方法。统一物理模型结构和集群硬件结构，提高模拟软件的并行效率，用并行的手段描述物理过程，在软件结构上实现加速器束流模拟的全并行。深入研究加速器束流模拟的关键算法，优化关键算法的并行结构，更有效地完成关键算法的并行求解过程。并对常用算法，开发适用范围更广、效率更高的并行算法程序包。在准确地描述加速器束流模拟的前提下，使并行技术和加速器束流模拟达到完美结合。

　　目前，中国科学院近代物理研究所超算中心在加速器束流模拟过程已取得初步成果。在加速器束流的中能段模拟过程中，束流经过加速器中能段加速后，束流完成预期设计的变化结果(图1)，图中是束流在x、y、z方向的相图和x-y方向的分布。

图1 束流经过中能段后的状态  

　　超级计算推动着科技的发展与进步。在加速器束流模拟方面，超级计算已然做了很多，它给我们带来了太多的惊喜。而在超级计算阔步前进的过程中，相信在我们的共同努力下，超级计算可以帮助加速器束流模拟走地更远，展现更美好的明天。

　　（作者单位：1为中国科学院近代物理研究所；2为兰州大学）