Исследовательской группе профессора Ацуши Ито из Национального института естественных наук NIFS удалось разработать метод автоматического и быстрого поиска путей миграции в материалах с произвольной геометрией атомов с помощью молекулярной динамики и параллельных вычислений на суперкомпьютере. Во-первых, они удаляют большое количество небольших доменов, которые покрывают весь материал. Внутри каждого небольшого домена они вычисляют пути миграции примесных атомов посредством молекулярной динамики.
Эти расчеты малых доменов будут завершены за короткое время, потому что размер домена небольшой, а количество обрабатываемых атомов невелико. Поскольку расчеты в каждой небольшой области могут выполняться независимо, расчеты выполняются параллельно с использованием суперкомпьютера NIFS, имитатора плазмы и суперкомпьютерной системы HELIOS в Центре вычислительного моделирования Международного центра исследований термоядерной энергии (IFERC-CSC), Аомори, США.
Япония. В Plasma Simulator, поскольку можно использовать 70 000 ядер ЦП, можно одновременно выполнять вычисления более 70 000 доменов. Комбинируя все результаты расчетов для небольших областей, получают пути миграции по всему материалу.
Такой метод распараллеливания суперкомпьютера отличается от часто используемого и называется распараллеливанием типа MPMD3).В NIFS был предложен метод моделирования, который эффективно использует распараллеливание типа MPMD. Объединив распараллеливание с последними идеями автоматизации, они пришли к высокоскоростному методу автоматического поиска пути миграции.
Используя этот метод, становится возможным легко найти путь миграции примесных атомов для реальных материалов, которые имеют границы кристаллических зерен, или даже материалов, кристаллическая структура которых становится неупорядоченной в результате длительного контакта с плазмой. Изучая поведение коллективной миграции примесных атомов внутри материала на основе информации об этом пути миграции, мы можем углубить наши знания о балансе частиц внутри плазмы и материала. Таким образом, ожидается улучшение удержания плазмы.
Эти результаты были представлены в мае 2016 года на 22-й Международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью (PSI 22) и будут опубликованы в журнале Nuclear Materials and Energy.Взаимодействие плазмы и материалов в исследованиях термоядерного синтеза рассматривается как цель обеспечения долговременной прочности стеновых материалов.
В качестве полей, не связанных с термоядерным синтезом, взаимодействие исследуется с целью разработки технологий обработки, которые активно используют плазму, например, для обработки полупроводников и нанесения покрытий на поверхности, и других. Показанный в этом исследовании автоматический метод исследования пути миграции примесных атомов в материале, который касается плазмы, в настоящее время рассматривается для его применения для обработки материалов, в которых используется этот тип плазмы. Этот метод, поскольку он может использоваться обычно для миграции примесных атомов и атомов добавочного материала, можно ожидать для широких применений, которые пересекают поля.
Объяснение словарного запаса:1) Молекулярная динамика:Метод компьютерного моделирования физического движения атомов или молекул. Мы аппроксимируем взаимодействие между атомами и молекулами с помощью межатомного потенциала и определяем орбиту каждой частицы путем численного решения уравнения движения Ньютона.
2) Границы кристаллических зерен:Многочисленные материалы представляют собой не один красивый кристалл (монокристалл), а скорее структуру, образованную множеством мелких кристаллических зерен (несколько кристаллов). Мы называем границу между двумя или более кристаллами границей кристаллических зерен.
Размер кристаллического зерна, образующего несколько кристаллов, составляет порядка 1 мкм (микрометра) в случае вольфрама.3) MPMD
Аббревиатура Multiple Program Multiple Data. Как правило, метод распараллеливания представляет собой методику однопрограммных множественных данных (SPMD), которая применяется для одной программы во множестве процессоров.
С другой стороны, в MPMD многочисленные программы, которыми управляет управляющая программа, применяются к многочисленным ЦП. По этой причине, по сравнению с СПМД, возможно более эффективное использование вычислительного ресурса.4) Динамический метод Монте-Карло
Техника компьютерного моделирования, использующая случайные числа, обычно называется методом Монте-Карло. Динамический метод Монте-Карло — это метод моделирования, который берет за основу статистическую механику и теорию случайных процессов, устанавливает частоту возникновения каждого явления (вероятность перехода) и отслеживает развитие во времени, которое следует за вероятностью перехода.