Российские физики создали алгоритм для моделирования движения микрочастиц в плазме

Физики из ОИВТ РАН, НИУ ВШЭ и МФТИ разработали алгоритм с открытым исходным кодом OpenDust, который впервые в мире позволяет моделировать движение микрочастиц конденсированного состояния в плазменном потоке. OpenDust оптимизирован под использование графических процессоров, что позволяет значительно ускорить расчёт сил, действующих на микрочастицы, в десятки раз опережая существующие программы-аналоги. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Computer Physics Communications. Исходный код на Python доступен на GitHub. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Понимание механизмов взаимодействия плазмы и микрочастиц конденсированного состояния важно для многих областей, включая астрофизику, микроэлектронику и плазменную медицину. Часто для экспериментального изучения взаимодействия плазмы с микрочастицами их помещают в поток плазмы газового разряда. Для более точного понимания процессов, происходящих в таких системах, учёным требуются быстрые и эффективные инструменты для расчёта сил, действующих на микрочастицы в потоке плазмы.

Обычно исследователям приходится самостоятельно разрабатывать софт под конкретную задачу, что требует много времени и ресурсов. В существующих программах с открытым исходным кодом часто возникают сложности с  установкой, документацией и низкой скоростью работы. Команда учёных из Объединённого института высоких температур РАН, Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ и Московского физико-технического института задумала создать новое решение — быстродействующее, с открытым исходным кодом, простое в установке и хорошо задокументированное. 

Как итог — учёные разработали программу OpenDust. Она работает в десятки раз быстрее других аналогов. Для ускорения расчётов алгоритм использует сразу несколько графических процессоров.

OpenDust имеет гибкий и дружелюбный к пользователю интерфейс, написанный на языке Python. Пользователь может задавать параметры моделируемой системы, а также конфигурацию используемых вычислительных ресурсов. Например, можно установить скорость потока плазмы и определить количество графических ускорителей, на которых будет проводиться расчёт. Бэкенд, серверная часть продукта, отвечающая за внутреннюю логику и работу всей системы, оптимизирован под высоконагруженные вычисления и использует несколько GPU. Это позволяет значительно увеличить скорость расчёта и обрабатывать гораздо большие объёмы данных.

Даниил Колотинский
Соавтор исследования и разработчик OpenDust, младший научный сотрудник ОИВТ РАН

Программа способна моделировать динамику плазмы вокруг системы микрочастиц конденсированного состояния. С её помощью учёные могут изучать сложные физические явления в комплексной плазме, включая эффекты самоорганизации и развитие неустойчивостей. Также она может быть использована в различных областях науки и промышленности, включая моделирование процессов очищения плазмы в промышленных машинах для плазменной литографии, исследование систем активных частиц.

Наша разработка — это первая в мире программа с открытым исходным кодом для многомасштабного самосогласованного моделирования динамики микрочастиц в плазменном потоке. OpenDust может использоваться для моделирования и изучения различных физических явлений, связанных с движением микрочастиц в плазменном потоке, включая астрофизические и промышленные приложения, предназначенные, например, для создания новых методов очистки плазмы от пыли в промышленных машинах для литографии жестким ультрафиолетом.

Алексей Тимофеев
Заместитель директора по научной работе ОИВТ РАН, ведущий научный сотрудник Международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ

IQ

29 мая, 2023 г.