近日，《中國科學(xué)報》以“仿真計算只需30分鐘，數(shù)學(xué)力量拓展新型材料的自主創(chuàng)新”為題，報道由南京應(yīng)用數(shù)學(xué)中心林文偉教授和東南大學(xué)李鐵香教授團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)、基于GPU計算平臺的FAME軟件包，該軟件包以仿真插件的形式已正式發(fā)布在北太天元（Ubuntu版）v3.0*。

      *已支持Ubuntu20.04版本，更多版本持續(xù)更新中

《中國科學(xué)報》報道截圖

      報道中提到，“北太天元（Ubuntu版）v3.0成功上線FAME插件，將進(jìn)一步促進(jìn)FAME算法的推廣應(yīng)用，將助力我國光通訊、光子集成器件的設(shè)計及國防科技等核心領(lǐng)域迸發(fā)自主創(chuàng)新活力。”

關(guān)于FAME：助力工程領(lǐng)域應(yīng)用

      光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)材料，具有普通光學(xué)材料所不具備的光子禁帶特性，在科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界被稱為“光半導(dǎo)體”或“未來的半導(dǎo)體”，被譽為二十一世紀(jì)最具潛力的新型材料。

      近年來，南京應(yīng)用數(shù)學(xué)中心林文偉教授和東南大學(xué)李鐵香教授團(tuán)隊在三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的快速計算方面進(jìn)行了深入研究，成功設(shè)計了三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)計算的快速算法FAME（Fast Algorithms for Maxwell's Equations），算法整體呈現(xiàn)O(n log n)計算時間的復(fù)雜度，且FAME的計算過程有利于程序的并行化實現(xiàn)。

      FAME可對（雙）各向同（異）性、具有擬周期邊界條件的三維光子晶體的全部14種布拉維晶格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)快速數(shù)值仿真。相比其他三維光子晶體仿真軟件而言，F(xiàn)AME運用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)技巧，計算內(nèi)存需求小，利用GPU高性能計算技術(shù)可實現(xiàn)計算效率的極大提升。

      以三維光子晶體的面心立方晶格和NVIDIA Tesla V100顯卡為例，在五百萬的離散矩陣規(guī)模下，F(xiàn)AME可以在30分鐘左右完成能帶結(jié)構(gòu)的計算，仿真速度是其CPU版本的50倍以上。

      FAME 插件的快速仿真技術(shù)有助于提升材料學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究效率。用戶可基于 FAME 插件高效搭建三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而實現(xiàn)逆向的材料電磁參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計。

調(diào)用FAME：僅需2步，在北太天元完成調(diào)用

      運行北太天元后，在命令行窗口輸入以下內(nèi)容加載該插件：load_plugin(“FAME”)

      加載完成后，在命令行窗口輸入以下內(nèi)容即可調(diào)用函數(shù)：Eigenvalue=FAME(“FAME_opt.txt”, “Eigenvalue.txt”)

具體使用說明可查看北太天元幫助文檔中相關(guān)板塊

在北太天元運行FAME得到的計算結(jié)果示例

下載北太天元（Ubuntu版）v3.0

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      未來，北太振寰將持續(xù)提升服務(wù)水平，將前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新性成果與北太天元結(jié)合，推動科研成果轉(zhuǎn)化落地，為國家科技創(chuàng)新發(fā)展注入強勁動力。

      歡迎廣大高校加入北太天元開發(fā)者隊伍！如需合作請聯(lián)系：[email protected]。

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      以下為全文報道：

      作者：韓揚眉  來源：中國科學(xué)報 

      報道原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/12/514424.shtm

仿真計算只需30分鐘，數(shù)學(xué)力量拓展新型材料的自主創(chuàng)新

      近日，由南京應(yīng)用數(shù)學(xué)中心林文偉教授和東南大學(xué)李鐵香教授團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)、基于GPU計算平臺的FAME軟件包以仿真插件的形式正式發(fā)布，該成果有望推動新型材料高效仿真算法在相關(guān)領(lǐng)域的自主開發(fā)應(yīng)用。

      光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)材料，具有普通光學(xué)材料所不具備的光子禁帶特性，在科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界被稱為“光半導(dǎo)體”或“未來的半導(dǎo)體”，被譽為二十一世紀(jì)最具潛力的新型材料。

      光子晶體可以依據(jù)頻率范圍實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控，這使得人們可以按照自己的設(shè)計需求來控制電磁波的傳播，因此，對光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的計算，對光通訊、光子集成器件的設(shè)計及國防科技等領(lǐng)域均具有重要意義。

      通過理論分析或者數(shù)值仿真來預(yù)測材料性質(zhì)和優(yōu)化材料設(shè)計，是研究材料的一種重要手段。

      近年來，林文偉和李鐵香團(tuán)隊在三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的快速計算方面持續(xù)深入研究。近日，團(tuán)隊成功設(shè)計了三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)計算的快速算法FAME（Fast Algorithms for Maxwell's Equations），算法整體呈現(xiàn)計算時間的復(fù)雜度，且FAME的計算過程有利于程序的并行化實現(xiàn)。研究成果刊發(fā)在國際權(quán)威期刊SIAM Journal on Scientific Computing。

      科研團(tuán)隊研究三維各向異性光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的快速算法，通過直接使用以晶格平移向量為基底的斜坐標(biāo)系和 Maxwell 方程的協(xié)變表述，提出了一種可以統(tǒng)一處理正交及非正交布拉維晶格、各向同性及各向異性介質(zhì)的算法框架。

      特別地，該算法框架在離散化過程中可以輕松處理電磁場的布洛赫條件。在將頻域 Maxwell 方程組離散化為標(biāo)準(zhǔn)代數(shù)特征值問題后，利用矩陣分析的技巧對其進(jìn)行模型壓縮，便可將該問題直接被轉(zhuǎn)化無零空間的標(biāo)準(zhǔn)特征值問題，結(jié)合求逆Lanczos算法可輕松得到其最小的幾個正特征值和相應(yīng)的特征向量。論文中，該算法與商業(yè)軟件 COMSOL中進(jìn)行了大量數(shù)值比較，充分展現(xiàn)了新算法的有效性和高效性。

      獨立自主的科學(xué)計算與系統(tǒng)仿真軟件是科技競爭力的關(guān)鍵。李鐵香告訴《中國科學(xué)報》，F(xiàn)AME是一個專業(yè)的仿真軟件，以三維光子晶體的面心立方晶格和NVIDIA Tesla V100顯卡為例，在五百萬的離散矩陣規(guī)模下，F(xiàn)AME可以在30分鐘左右完成能帶結(jié)構(gòu)的計算，仿真速度是其CPU版本的50倍以上，這是應(yīng)用數(shù)學(xué)在工程領(lǐng)域中應(yīng)用的典型案例。

      當(dāng)前，北太天元（Ubuntu版）v3.0成功上線FAME插件，將進(jìn)一步促進(jìn)FAME算法的推廣應(yīng)用，將助力我國光通訊、光子集成器件的設(shè)計及國防科技等核心領(lǐng)域迸發(fā)自主創(chuàng)新活力。

      相關(guān)程序和數(shù)據(jù)發(fā)布：http://www.njcam.org.cn/fame/index.phtml

      關(guān)于《中國科學(xué)報》：《中國科學(xué)報》由中國科學(xué)院、中國工程院、國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會共同主辦，是中國科技界最具影響力的媒體之一。