Algoritmos y herramientas para representar y observar simulaciones de experimentos de física cuántica computacional
DATE:
2020-12-15
UNIVERSAL IDENTIFIER: http://hdl.handle.net/11093/1652
DOCUMENT TYPE: doctoralThesis
ABSTRACT
1 Objectivos y contenidos básicos del trabajo.
Esta tesis explora dos desafíos relacionados con la simulación de la ecuación no lineal de Schrodinger (NLSE) desde la perspectiva de la informática: (1) técnicas computacionales eficientes y algoritmos que explotan detalles de bajo nivel de CPUs y GPU modernas, y (2) visualización novedosa del solución mediante gráficos de computadora modernos con un motor de animación 3D. Ambos son problemas desafiantes cuya solución tendría un amplio impacto en otros campos de la ciencia computacional.
Para un físico cuyo objetivo es estudiar el comportamiento de los procesos físicos descritos por NLSE, desarrollar software cuidadosamente diseñado y optimizado que gestione adecuadamente la CPU subyacente y el hardware de la GPU está más allá del alcance de sus objetivos. Para esto, se requieren conocimientos técnicos especializados de hardware multiproceso - dentro del ámbito de las ciencias de la computación - para que las rutinas de bajo nivel escritas cuidadosamente accedan a la memoria a fin de minimizar los requisitos de ancho de banda y contención. También se requiere altos conocimientos en informática para aprovechar las representaciones de animaciones 3D en la actualidad.
Por lo tanto, es en esta interfaz entre la física computacional y la informática pura donde esta tesis pretende hacer contribuciones prácticas y fundamentales.
Los objetivos específicos y las contribuciones de la tesis son los siguientes:
Realizar simulaciones PDE no lineales con el método pseudo-espectral lo más rápido posible, disponible a través de un Kernel JIT personalizado: Desarrollar un código multihilo personalizado de bajo nivel optimizado para la GPU al que se pueda acceder como Kernel JIT de alto nivel basado en Numba, que utilice técnicas numéricas y de computación que se asignan directamente al hardware de CPU / GPU, específicamente para el problema de resolver PDE con los métodos pseudo-espectrales split-step .
Desarrollar métodos que aceleren el cálculo para casos de NLSE que causan inestabilidades. Para esto se explorarán algoritmos numéricos que combinan el método pseudo-espectral con el método de malla adaptable. Se hará especial hincapié en el aspecto informático de dividir el problema de manera eficiente.
Realizar nuevas visualizaciones para ondas cuánticas: desarrollar un conjunto de métodos novedosos para la visualización científica en la propagación de ondas mecánicas cuánticas, simuladas numéricamente con técnicas de animación en 3D. Se debe desarrollar una herramienta software que sea una extensión de un editor en 3D, que permita interactuar a través de fly-thrus con soluciones PDE simuladas y renderizadas, a través del motor 3D.
Este trabajo también impactará directamente los resultados de un proyecto recientemente aceptado "Ondas no lineales y materia oscura emergente". Obxectivos e contidos basicos do traballo
Esta tese explora dous desafíos relacionados coa simulación da ecuación non lineal de Schrodinger (NLSE) desde a perspectiva da informática: (1) técnicas computacionais eficientes e algoritmos que aproveitan detalles de baixo nivel de CPUs e GPU modernas, e (2) visualización novidosa da solución mediante gráficos de computadora modernos cun motor de animación 3D. Ambos son problemas desafiantes cuxa solución tería un amplo impacto noutros campos da ciencia computacional.
Para un físico cuxo obxectivo é estudar o comportamento dos procesos físicos descritos por NLSE, desenvolver software coidadosamente deseñado e optimizado que xestione adecuadamente a CPU subxacente e o hardware da GPU está máis aló do alcance dos seus obxectivos. Para isto, requírense coñecementos técnicos especializados de hardware multiproceso - dentro do ámbito das ciencias da computación - para que as rutinas de baixo nivel escritas coidadosamente accedan á memoria a fin de minimizar os requisitos de ancho de banda e contención. Tamén se require altos coñecementos en informática para aproveitar as representacións de animacións 3D na actualidade.
Por tanto, é nesta interface entre a física computacional e a informática pura onde esta tese pretende facer contribucións prácticas e fundamentais.
Os obxectivos específicos e as contribucións da tese son os seguintes:
Realizar simulacións PDE non lineais co método pseudo-espectral o máis rápido posible, dispoñible a través dun Kernel JIT personalizado: Desenvolver un código multi-fío personalizado de baixo nivel optimizado para a GPU ao que se poida acceder como Kernel JIT de alto nivel baseado en Numba, que empregue técnicas numéricas e de computación que se asignan directamente ao hardware de CPU/GPU, especificamente para o problema de resolver PDE cos métodos pseudo- espectrais split-step .
Desenvolver métodos que aceleren o cálculo para casos de NLSE que causan inestabilidades: Para isto exploraranse algoritmos numéricos que combinan o método pseudo-espectral co método de malla adaptable. Farase especial fincapé no aspecto informático de dividir o problema de maneira eficiente.
Realizar novas visualizacións para ondas cuánticas: Desenvolver un conxunto de métodos novos para a visualización científica na propagación de ondas mecánicas cuánticas, simuladas numericamente con técnicas de animación en 3D. Débese desenvolver unha ferramenta software que sexa unha extensión dun editor en 3D, que permita interactuar a través de fly-thrus con solucións PDE simuladas e renderizadas, a través do motor 3D.
Este traballo tamén impactará directamente os resultados dun proxecto recentemente aceptado "Ondas no lineales y materia oscura emergente".
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