[논문 리뷰] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 7.1

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 08.

Advanced Antenna and Metasurface Technologies참고 문헌 1인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 이산 분극 근사(DDA)를 사용하여 임의의 형상의 입자 및 주기적인 나노구조물의 전자기 산란과 흡수를 계산하는 무료로 이용 가능한 오픈소스 Fortran-90 코드인 DDSCAT 7.1을 제시한다. 이는 크기 파라미터가 25 이하이고 굴절률이 1에 가까운 목표물에 대해 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하며, MPI, OpenMP 및 MKL를 지원하여 고성능 계산을 구현한다. 복잡한 기하학, 이방성 재료, 그리고 DDfield 후처리기로 인한 근접장 전기 및 자기장 계산 기능도 포함되어 있다.

ABSTRACT

DDSCAT 7.1 is an open-source Fortran-90 software package applying the discrete dipole approximation to calculate scattering and absorption of electromagnetic waves by targets with arbitrary geometries and complex refractive index. The targets may be isolated entities (e.g., dust particles), but may also be 1-d or 2-d periodic arrays of "target unit cells", allowing calculation of absorption, scattering, and electric fields around arrays of nanostructures. The theory of the DDA and its implementation in DDSCAT is presented in Draine (1988) and Draine & Flatau (1994), and its extension to periodic structures (and near-field calculations) in Draine & Flatau (2008). DDSCAT 7.1 includes support for MPI, OpenMP, and the Intel Math Kernel Library (MKL). DDSCAT supports calculations for a variety of target geometries. Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to "import" arbitrary target geometries into the code. DDSCAT automatically calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix. This User Guide explains how to use DDSCAT 7.1 to carry out electromagnetic scattering calculations. DDfield, a Fortran-90 code to calculate E and B at user-selected locations near the target, is included in the distribution. A number of changes have been made since the last release, DDSCAT 7.0 .

연구 동기 및 목표

• 이산 분극 근사(DDA)를 구현한 오픈소스 소프트웨어 패키지인 DDSCAT 7.1을 위한 종합적인 사용자 가이드를 제공하는 것.
• 임의의 기하학적 형상과 복잡한 굴절률을 가진 유한하고 분리된 목표물 및 주기적인 나노구조 배열의 산란 및 흡수를 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하는 것.
• MPI 병렬 처리, OpenMP 스레딩, Intel MKL 통합을 포함한 고급 계산 기능을 지원하여 최적화된 성능를 확보하는 것.
• DDfield 후처리기로 인해 목표물 주변의 E 및 B 장의 세부 분석이 가능한 근접장 장 계산을 촉진하는 것.
• 타원체, 실린더, 판형, 다구체 구성 등 다양한 입자 형상에 대해 등방성 및 이방성 재료를 포함한 시뮬레이션 설정 및 실행을 연구자들이 쉽게 수행할 수 있도록 돕는 것.

제안 방법

• 이산 분극 근사(DDA)는 목표물을 분극 가능 다이폴 모델로 격자화하여, 공액 기울기 방법과 같은 반복적 해법기를 사용해 연립 다이폴 방정식을 푸는 방식이다.
• 반복적 해법 과정에서 행렬-벡터 곱 연산을 가속하기 위해 빠른 푸리에 변환(FFT)을 사용하며, FFTW 및 Intel MKL를 포함한 여러 FFT 라이브러리 지원이 가능하다.
• 주기적인 구조물의 경우, 1차원 및 2차원 주기적 배열에서 장거리 다이폴-다이폴 상호작용을 처리하기 위해 에이벌트 합산 방법을 구현한다.
• 사용자는 매개변수 파일(ddscat.par)을 통해 목표물의 기하학적 형상과 구성 요소를 정의하며, 다이폴 위치, 굴절률, 방향성을 지정하고, 타원체, 실린더, 판형 등의 일반적인 형상에 대한 내장된 루틴을 제공한다.
• 코드는 총 산란 및 흡수 단면적, 무우어 산란 행렬 원소, 그리고 입사파 및 목표물의 방향에 대한 평균화를 통해 복사력 계산을 수행한다.
• 후처리 기능은 목표물 내외의 사용자 정의 위치에서 전기장 및 자기장 분포를 계산하는 DDfield 코드를 통해 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 임의의 입자 형상에 대해 효과적이고 고성능이며 사용자 友好的한 소프트웨어 패키지로 이산 분극 근사를 구현할 수 있는가?
• RQ2 FFT, MPI, OpenMP 및 최적화된 수학 라이브러리를 활용한 DDA 시뮬레이션을 가속화하기 위한 최적의 계산 전략은 무엇인가?
• RQ3 DDSCAT 7.1은 크기 파라미터가 25 이하이고 굴절률이 1에 가까운 목표물에 대해 얼마나 정확하게 산란 및 흡수를 모델링할 수 있는가?
• RQ4 근접장 장 강화 현상을 포함한 주기적 나노구조 배열을 모델링하기 위해 DDA는 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ5 사용자는 어떻게 효율적으로 복잡한 목표물 형상을 생성하고, 무작위 또는 비무작위로 배열된 입자에 대해 방향 평균화를 수행할 수 있는가?

주요 결과

• DDSCAT 7.1은 크기 파라미터가 25 이하이고 굴절률이 |m−1| ≤ 2 조건을 만족하는 목표물에 대해 정확한 전자기 산란 및 흡수 계산을 가능하게 한다.
• 코드는 MPI 및 OpenMP를 통한 병렬 실행을 지원하며, Intel MKL을 활용해 선형 대수 연산을 최적화하여 현대 HPC 시스템에서 성능을 크게 향상시킨다.
• DDfield 후처리기의 통합으로 사용자 정의 위치에서 E 및 B 장의 세부 계산이 가능해져 나노구조물 내에서 장의 국소화 및 강화 현상을 분석할 수 있다.
• 소프트웨어는 타원체, 실린더, 판형, 다구체 구성 등 다양한 목표물 형상에 대해 등방성 및 이방성 재료를 모두 지원한다.
• 에이벌트 합산을 사용하여 1차원 및 2차원 주기적 배열의 산란을 정확히 모델링하여 광역대 구조 및 표면 플라즈몬 공진을 연구하는 데 기여한다.
• 매개변수 파일 ddscat.par는 직관적이고 자가 문서화되어 있어, 초보자 교육 이후에는 문서 참조 없이도 시뮬레이션 설정이 가능하다.