[发明专利]一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法及系统及设备

权利要求书

1.一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化微放电模拟所需的参数及数据结构，对GPU设备进行初始化，在进行CUDA语言编程过程中，将GPU设备的初始化代码放置在电子推进函数的起始位置，并保证该函数在整个程序生命周期内仅执行一次；

GPU读取数据后采用并行方式推进计算电子，并对二次电子发射过程进行计算；

在GPU完成电子推进及二次电子发射计算后，将数据传回系统主存进行数据结构更新，并由CPU进程判断是否继续进行模拟，若达到结束调节则终止模拟计算过程，否则继续计算下一时间的电子推进模拟。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法，其特征在于，初始化微放电模拟所需的参数及数据结构包括：

步骤1，采用三维CAD建模软件/电磁场仿真软件建立待求电子发射器件模型，然后将其以STL/STEP格式进行存储；

步骤2，通过已有粒子模拟软件/电磁场仿真软件求解电子发射器件中的电磁场分布并将其以频域形式导出；

步骤3，将电子发射器件几何结构进行离散剖分以构成电磁场计算的交错对偶网格体系，即Yee网格；

步骤4，采用已有二次电子发射模拟程序导入步骤1中的几何模型并读取步骤2中导出的电磁场数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法，其特征在于，开启电子推进及二次电子发射计算过程，具体步骤如下：

设置初始加载电子参数，包括初始加载电子的总数，每个宏电子所包含的实际电子数目，电子加载区域，电子加载开始时间，电子加载结束时间；计算参数初始化，设置初始模拟时间步长以及模拟时长；

对GPU设备的CUDA运行环境进行初始化，初始化过程必须在电子推进过程之前完成，且整个程序生命周期内仅执行一次初始化操作；

将空间中的电子划分为若干个电子组，每个电子组中包含2000个电子，在电子推进过程中对每个电子组再次进行划分形成多个流处理计算组，流处理计算组中的电子数目是启用CUDA计算线程的整数倍；

调用GPU设备核函数完成一个电子组中各个流处理计算组的电子轨迹计算任务，并判断电子是否与器件边界发生碰撞，若发生碰撞，则计算二次电子发射情况，否则仅进行电子推进计算。

4.根据权利要求3所述的一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法，其特征在于，通过调用设备核函数完成一个电子组的电子轨迹计算任务，具体为：

每个线程负责完成一个电子的相关计算任务，启用多个CUDA线程，并行读取电子的初始位置x及速度u，根据获得的电磁场并行计算电子的新位置x'与速度u'，然后判断电子运动轨迹是否越过器件边界，若越过边界，则根据二次电子发射模型计算新的二次电子并确定电子数目和速度。

5.根据权利要求3所述的一种基于GPU加速的二次电子发射模拟方法，其特征在于，在电子推进及二次电子发射计算过程中，采用GPU原子累加操作计算新增的二次发射电子总数M，并记录原子累加过程中每个CUDA线程的累加起始位置，存放在数组stackStartPos[i]中，其中i为CUDA线程编号，stackStartPos[i]的值为i号CUDA线程应该写入的新增电子数组位置；

在GPU上动态申请大小为M的存储空间数组newParticles，用于存放新增的二次发射电子；

启用CUDA核函数，以并行方式读取stackStartPos数组，第i号CUDA线程读取stackStartPos[i]的值，并将上一步计算产生的二次发射电子数据存储到数组newParticles中，写入存储的起始位置为newParticles[stackStartPos[i]+k-1]，其中k为正整数，表示第i号线程产生的二次发射电子数；

CUDA线程对电子组中的电子进行标记，若发生碰撞则将标记变量Flag[i]值设置为1，否则Flag[i]值设为0，Flag为整数类型的数组；CUDA核函数计算完成后，将计算产生的电子位置、速度信息及newParticles、Flag数组由设备显存传输到主存中。