[논문 리뷰] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT.6.0

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 02.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 1인용 수 93

한 줄 요약

이 논문은 Discrete Dipole Approximation (DDA)를 사용하여 임의의 형상과 복소 굴절률을 가진 입자의 전자기 산란 및 흡수를 계산하는 무료로 이용 가능한 Fortran 소프트웨어 패키지인 DDSCAT.6.0을 제시한다. 이 소프트웨어는 고성능 계산을 위해 Fast Fourier Transform (FFT)와 MPI를 활용하며, 크기 파라미터가 15 미만이고 굴절률이 1에 가까운 대상에 대해 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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 < 15 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| < 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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 입자에 대한 전자기 산란을 시뮬레이션하는 데 널리 사용되는 소프트웨어 패키지인 DDSCAT.6.0에 대한 포괄적인 사용자 가이드를 제공하기 위해.
• 비구형 입자에 대해 임의의 기하 형상과 비균일하거나 이방성 재료를 가진 입자에 대한 정확한 산란 및 흡수 계산을 가능하게 하기 위해.
• FFTW와 MPI 통합을 통해 고성능 계산을 지원하여 대규모 시뮬레이션의 계산 효율성을 향상시키기 위해.
• 모듈러이고 이식 가능한 Fortran 소스 코드와 명확한 문서화를 제공하여 사용자 정의 및 대상 임포트를 위한 확장성과 광범위한 접근성을 보장하기 위해.
• 공개 코드 저장소와 사용자 레지스트리 통해 인용, 피드백, 기여를 장려함으로써 재현 가능성과 공동체 활용을 촉진하기 위해.

제안 방법

• Discrete Dipole Approximation (DDA)는 대상을 극도로 극성 가능한 점 전류의 격자로 모델링하며, 이를 해결하기 위해 반복적 해법을 사용한다.
• 코드는 반복적 해법 과정에서의 행렬-벡터 곱셈을 가속화하기 위해 Fastest Fourier Transform in the West (FFTW) 라이브러리를 활용한다.
• MPI (Message Passing Interface) 지원을 통해 다중 프로세서 시스템에서의 병렬 실행이 가능하여, 대규모 전류 배열에 대한 계산 시간을 크게 단축시킨다.
• 소프트웨어는 다양한 대상 기하 형상(예: 타원체, 실린더, 정사면체)을 지원하며, 사용자 정의 대상 임포트를 위한 커스텀 입력 루틴을 허용한다.
• 출력에는 총 흡수 및 산란 단면적, 특정 산란 방향과 입사 편광에 대한 Mueller 산란 행렬 원소, Stokes 매개변수 등이 포함된다.
• 기계에 종속적이지 않은 netCDF 출력 파일을 생성하여 이식 가능한 데이터 교환을 지원하며, readnet.pro 및 mie.pro와 같은 IDL 기반 후처리 유틸리티 루틴을 통해 후처리를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 입자 기하 형상에 대해 이식 가능하고 고성능인 Fortran 코드로 Discrete Dipole Approximation을 효율적으로 구현할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 DDA 시뮬레이션의 가속화를 위해 최적의 계산 전략(예: FFT 및 MPI)은 무엇인가?
• RQ3 DDSCAT.6.0은 크기 파라미터가 15 미만이고 굴절률이 1과 1 이내로 다를 경우 산란 및 흡수를 얼마나 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 다양한 컴퓨팅 플랫폼에서 DDSCAT.6.0을 구성하고 컴파일하며 실행하는 데 고려해야 할 실용적 사항은 무엇인가?
• RQ5 핵심 알고리즘을 수정하지 않고도 사용자가 새로운 대상 형상, 재료 또는 산란 구성 요소를 코드에 추가할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• DDSCAT.6.0은 크기 파라미터가 15 미만이고 굴절률이 1에서 1 이내로 다를 경우 산란 및 흡수 계산을 정확하게 수행할 수 있다.
• FFTW 통합으로 반복적 해법 과정이 크게 가속화되어 표준 및 고성능 컴퓨팅 시스템에서 대규모 시뮬레이션을 실현 가능하게 한다.
• MPI 지원을 통해 확장 가능한 병렬 실행이 가능하여 다중 코어 및 클러스터 시스템에서 실행 시간을 감소시키며, 여러 프로세서에서 성능 스케일링이 관찰된다.
• 코드는 ASCII 및 netCDF 출력 형식을 모두 지원하며, 이식 가능하고 랜덤 액세스가 가능한 데이터 처리를 위해 netCDF 형식을 권장한다.
• readnet.pro 및 mie.pro와 같은 IDL 유틸리티의 포함으로 효과적인 후처리 및 구형 입자에 대한 Mie 이론과의 비교가 가능해진다.
• 소프트웨어는 매우 모듈러하고 확장 가능하여 사용자가 최소한의 코드 수정으로 커스텀 대상 기하 형상과 功能을 임포트 및 확장할 수 있다.