Ontwikkeling van een multiscale magnetisch materiaalmodel met behulp van graphical processing units (GPU’s)

Groep: DyNaMat

Promotor: Prof. Bartel Van Waeyenberge, Prof. Luc Dupré

Begeleiding: Arne Vansteenkiste, Ben Van de Wiele

Contactpersoon: Arne.Vansteenkiste@UGent.be

Aantal studenten: 1 of 2

Kernwoorden: magnetisch materiaalmodel, grafische kaart, numerieke algoritmen

Probleemstelling: Deze thesis is gericht naar studenten die sterk geïnteresseerd zijn in het programmeren van complexe numerieke problemen op de allernieuwste computerhardware.

Macroscopische magnetische eigenschappen vinden hun oorsprong in de magnetische interacties tussen magnetische spins verbonden met de individuele atomen in het materiaal. In het huidige onderzoek beschouwen we twee modellen om de invloed van de atomaire roosterstructuur op de globale magnetische eigenschappen te bepalen.

Op de atomaire ruimteschaal gebeurt dit door spin-lattice simulaties die zoals de naam het zegt de magnetische dynamica bepaalt op basis van de wisselwerking tussen de atomaire spins onderling en het materiaalrooster. Dit materiaalmodel laat variaties van de materiaalparameters toe op de atomaire ruimteschaal. Wegens de kleine ruimteschaal streven we ernaar structuren met afmetingen tot orde 100 nm te beschrijven. Wanneer de microstructurele parameters slechts variëren op een grotere ruimteschaal (kleinste eenheid bevat ongeveer 10.000 atomen) kan een micromagnetisch materiaalmodel gebruikt worden om de globale magnetische dynamica te simuleren. De grotere ruimteschaal laat hier toe om structuren te simuleren tot orde 10 µm.

In deze thesis willen we een multi-purpose magnetisch materiaalmodel implementeren dat de twee materiaalmodellen bevat en afhankelijk van de beoogde toepassing berekeningen mogelijk maakt in het optimale model. In beide modellen dienen zeer efficiënte numerieke algoritmes toegepast te worden om de rekentijd te beperken. Verder streven we ernaar de materiaal-modellen te koppelen aan elkaar om zodoende magnetische processen te kunnen beschrijven die de atomaire tot de magnetische domeinschaal omvatten.

Het vernieuwende aan dit thesis voorstel is dat we gebruik zullen maken van graphical processing units (GPU’s) die oorspronkelijk ontwikkeld waren voor computerspelletjes. Het gebruik van de 100’den processoren op de grafische kaarten laat toe om een zeer groot aantal berekeningen gelijktijdig uit te voeren en op die manier de berekeningen enorm te versnellen.

Doelstelling: De student zal zich vertrouwd maken met het fysische probleem, de reeds beschikbare (seriële) software en de computertechnische details gerelateerd met de GPU-omgeving. Het grootste deel van de thesis omvat de ontwikkeling van gesofisticeerde numerieke technieken die de vernoemde ruimteschalen kunnen overbruggen en de implementatie ervan in de GPU’s.

Opmerkingen: Dit werk kadert binnen een recent opgestarte samenwerking tussen de onderzoek van EELAB en de vakgroep Vastestofwetenschappen van de Faculteit Wetenschappen. In deze samenwerking beogen we de ontwikkeling van een multi-niveau magnetisch materiaalmodel dat de macroscopisch opgemeten magnetische eigenschappen verbindt met de atomaire (rooster)structuur van het materiaal.

 

Locatie: De Sterre, gebouw S1