고효율 계산 방법

이 연구는 원자 규모에서 빛-물질 상호 작용을 시뮬레이션하기 위한 새로운 고효율 방법을 설명한다.

이러한 상호 작용을 시뮬레이션하기 어려운 이유 중 하나는 상호 작용과 관련된 현상이 광파의 전파 및 물질 내 전자 및 이온의 역학과 같은 다양한 물리학 영역을 포함하기 때문이다. 또 다른 문제는 현상이 광범위한 길이와 시간 규모를 포괄할 수 있다는 것이다.

두 가지 별도의 방법

문제의 다중 물리학 및 다중 규모 특성은 빛-물질 상호 작용이 일반적으로 두 가지 별도의 계산 방법으로 모델링 된다는 것을 의미한다. 이러한 방법 중 첫 번째는 전자기 분석이라고 하며 연구 중인 빛의 전자기장을 포함한다. 두 번째는 물질의 광학적 특성에 대한 양자역학적 계산이다.

이 두 가지 방법은 전자기장이 약하고 길이 스케일에 차이가 있다고 가정한다.

Kazuhiro Yabana 교수는 이 연구의 수석 저자이다.

"우리의 접근 방식은 빛과 물질의 상호 작용을 시뮬레이션하는 통합되고 개선된 방법을 제공한다."라고 Yabana는 말한다. "우리는 전자기장에 대한 맥스웰 방정식, 전자에 대한 시간 종속 콘샴 방정식, 이온에 대한 뉴턴 방정식의 세 가지 주요 물리학 방정식을 동시에 해결하여 이 위업을 달성했다."

연구원들은 이 방법을 구현하기 위해 사내 소프트웨어 SALMON(광학 및 나노과학을 위한 확장 가능한 Ab initio Light-Matter 시뮬레이터)에 의존했다. 그들은 무정형 이산화규소 박막에서 빛-물질 상호작용을 모델링하여 코드를 테스트하기 전에 성능을 최대화하도록 시뮬레이션 컴퓨터 코드를 최적화했다. 이 비정질 이산화규소 박막은 10,000개 이상의 원자로 구성되어 있다.

시뮬레이션은 일본 고베에 있는 RIKEN 전산과학센터에 위치한 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 Fugaku의 거의 28,000개 노드를 사용하여 수행되었다.

Yabana 교수는 "우리는 코드가 매우 효율적이어서 실제 응용 프로그램에 필요한 계산 시간 단계당 1초라는 목표를 달성한다는 것을 발견했다."라고 말했다. "성능은 컴퓨터 메모리의 대역폭에 의해 설정되는 가능한 최대 값에 가깝고 코드는 우수한 약한 확장성이라는 바람직한 속성을 가지고 있다."

이 새로운 접근 방식은 나노 스케일 광학 및 포토닉스에서 다양한 현상을 탐색하는 데 사용할 수 있다.

새로운 연구는 고성능 컴퓨팅 애플리케이션의 국제 저널(International Journal of High Performance Computing Applications)에 게재되었다.