[論文レビュー] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT.6.0

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2003

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 93

ひとこと要約

本論文では、任意の形状および複素屈折率を有する粒子の電磁散乱および吸収を計算するために、離散双極子近似（DDA）を用いる、無料で利用可能なFortranソフトウェアパッケージであるDDSCAT.6.0を提示する。このソフトウェアは高速フーリエ変換（FFT）およびMPIを活用して高性能計算を実現し、サイズパラメータ<15および屈折率が1に近い場合の高精度なシミュレーションを可能にする。

ABSTRACT

DDSCAT.6.0 is a freely available software package (http://www.astro.princeton.edu/~draine/DDSCAT.6.0.html) which applies the "discrete dipole approximation" (DDA) to calculate scattering and absorption of electromagnetic waves by targets with arbitrary geometries and complex refractive index. DDSCAT.6.0 allows accurate calculations of electromagnetic scattering from targets with ``size parameters'' 2*pi*a/lambda &lt; 15 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| &lt; 1). DDSCAT.6.0 includes the option of using the FFTW (Fastest Fourier Transform in the West) package. DDSCAT.6.0 also includes MPI support, permitting parallel calculations on multiprocessor systems. DDSCAT package is written in Fortran and is highly portable. The program supports calculations for a variety of target geometries (e.g., ellipsoids, regular tetrahedra, rectangular solids, finite cylinders, hexagonal prisms, etc.). Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to ``import'' arbitrary target geometries into the code, and relatively straightforward to add new target generation capability to the package. DDSCAT automatically calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix for specified orientation of the target relative to the incident wave, and for specified scattering directions. This User Guide explains how to use DDSCAT.6.0 to carry out electromagnetic scattering calculations. CPU and memory requirements are described.

研究の動機と目的

• 複雑な粒子の電磁散乱をシミュレートするための広く使用されているソフトウェアパッケージであるDDSCAT.6.0の包括的なユーザーガイドを提供すること。
• 非球形粒子に対して、任意の幾何形状および不均一または異方性材料を有する粒子の正確な散乱および吸収計算を可能にすること。
• FFTWおよびMPIとの統合を通じて高性能計算を支援し、大規模なシミュレーションにおける計算効率を向上させること。
• モジュラーで移植可能なFortranソースコードおよび明確なドキュメンテーションを提供することで、カスタマイズおよびターゲットのインポートのための広範なアクセス性と拡張性を確保すること。
• 公開されたコードリポジトリおよびユーザーレジストリを通じて、引用、フィードバック、貢献を促進し、再現可能性とコミュニティ利用を推進すること。

提案手法

• 離散双極子近似（DDA）は、ターゲットを極性を持つ点双極子の格子としてモデル化し、得られる連立一次方程式を反復解法で解く。
• コードは、反復的解法プロセスにおける行列・ベクトル積を高速化するために、Fastest Fourier Transform in the West（FFTW）ライブラリを採用している。
• MPI（メッセージパassingインターフェース）のサポートにより、マルチプロセッサシステム上で並列実行が可能となり、大規模な双極子配列の計算時間を顕著に短縮する。
• コードは、楕円体、円柱、四面体などのさまざまなターゲット幾何形状をサポートしており、カスタム入力ルーチンを介してユーザー定義のターゲットをインポート可能である。
• 出力には、全吸収断面積および散乱断面積、指定された散乱方向および入射偏光に対応するムーアー散乱行列要素、ストークスパラメータが含まれる。
• 機械非依存のnetCDF出力ファイルを生成し、ポータブルなデータ交換を可能にするとともに、readnet.proやmie.proなどのIDLベースのユーティリティルーチンを介して後処理が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の粒子幾何形状を対象とするポータブルで高性能なFortranコードとして、離散双極子近似をどのように効率的に実装できるか？
• RQ2 DDAシミュレーションの高速化に向けた最適な計算戦略（例えばFFTやMPI）は何か？
• RQ3 DDSCAT.6.0は、サイズパラメータ<15および屈折率が1から1未満の差異を示すターゲットの散乱および吸収をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ4 異なるコンピューティングプラットフォーム上でDDSCAT.6.0を設定・コンパイル・実行する際の実用的考慮事項は何か？
• RQ5 コアアルゴリズムを変更せずに、新しい粒子形状、材料、または散乱設定をコードに追加するにはどうすればよいか？

主な発見

• DDSCAT.6.0は、サイズパラメータが15未塔かつ屈折率が1から1未塔の差異を示すターゲットに対して、電磁散乱計算を高精度で実行可能である。
• FFTWとの統合により、反復的解法プロセスの処理が顕著に高速化され、標準的および高性能コンピューティングシステム上でも大規模なシミュレーションが現実可能となった。
• MPIのサポートにより、スケーラブルな並列実行が可能となり、マルチコアおよびクラスタシステム上での実行時間を著しく短縮した。プロセッサ数の増加に伴い、性能スケーリングが観察された。
• コードはASCIIおよびnetCDFの両方の出力フォーマットをサポートしており、ポータブルかつランダムアクセス可能なデータ処理を目的としたnetCDF形式が推奨されている。
• readnet.proやmie.proなどのIDLユーティリティの統合により、球形粒子に対するMie理論との比較が効果的に行えるようになった。
• ソフトウェアは非常にモジュラーかつ拡張可能であり、最小限のコード変更でカスタムターゲット幾何形状のインポートや機能拡張が可能である。