JP7149510B2 - Computing system, computing device and program - Google Patents
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Description
本発明は、演算システム、演算装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to an arithmetic system, an arithmetic device and a program.
近年、FDTD法(Finite-Difference Time-Domain method; FDTD method)などの、Maxwell方程式(以下、マクスウェルの方程式とも称する。)を時間・空間で差分化して解く有限差分時間領域法を用いた電磁界解析手法がある(例えば、特許文献1を参照)。この従来技術においては、複数台の演算装置によって並列演算することにより、大規模な電磁界解析を行うことが開示されている。
In recent years, the FDTD method (Finite-Difference Time-Domain method; FDTD method) and other electromagnetic fields using a finite-difference time-domain method that solves Maxwell's equations (hereinafter also referred to as Maxwell's equations) by differentiating them in time and space There is an analysis method (see
しかしながら、上述の従来技術によると、並列演算の結果が他の演算に影響することがあり、このような場合には、並列化された他の演算の結果を待つ必要が生じるため、複数台の演算装置による同時並列演算ができないという問題があった。 However, according to the conventional technology described above, the results of parallel operations may affect other operations. In such cases, it is necessary to wait for the results of other parallelized operations. There is a problem that simultaneous parallel calculation cannot be performed by the arithmetic unit.
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、電磁界解析の演算を同時並列化することができる演算装置、演算管理装置及びプログラムを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an arithmetic device, an arithmetic management device, and a program capable of simultaneously parallelizing arithmetic operations for electromagnetic field analysis.
本発明の一実施形態は、時間変化する電磁界強度の波形についての複素周波数領域の関数に対する演算の時間軸における起点である初期時刻と、当該初期時刻からの演算時間幅とを、演算条件として取得する演算条件取得部と、前記演算条件取得部によって取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得部によって取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算部と、前記演算時間幅毎に前記演算部によって算出された前記演算結果を演算管理装置に対して出力する出力部と、を備える演算装置と、それぞれの前記演算装置に問い合わせることにより取得した前記演算装置ごとの前記演算部の演算性能に基づいて、前記初期時刻からの演算時間幅を前記演算装置ごとに算出する演算時間幅算出部と、複数の前記演算装置に対して、前記演算装置ごとに互いに異ならせた前記初期時刻と、当該初期時刻からの前記演算時間幅とを、演算条件として供給する演算条件供給部と、供給された前記初期時刻に基づいて、複数の前記演算装置がそれぞれ算出する前記初期値に応じた演算結果を取得する演算結果取得部と、前記演算結果取得部が取得する複数の前記初期値に応じた演算結果を、前記初期時刻の順に統合する統合部と、を備える演算管理装置と、を含む演算システムである。 In one embodiment of the present invention, the initial time, which is the starting point on the time axis of the calculation of the function of the complex frequency domain for the time-varying electromagnetic field intensity waveform, and the calculation time width from the initial time, are used as calculation conditions. and calculating an initial value, which is a calculation result of the waveform at the initial time acquired by the calculation condition acquisition unit, by discrete time response analysis using an inverse Laplace transform method for the function. a calculation unit for calculating a calculation result of the waveform corresponding to the calculation time width acquired by the calculation condition acquisition unit by sequential calculation along the time axis based on the calculated initial value; an output unit for outputting the calculation result calculated by the calculation unit for each width to the calculation management device ; an arithmetic time width calculation unit that calculates the arithmetic time width from the initial time for each arithmetic unit based on the arithmetic performance of the unit; A calculation condition supplying unit that supplies an initial time and the calculation time width from the initial time as calculation conditions; A computation management device comprising: a computation result acquisition unit that acquires computation results according to the calculation result; and an integration unit that integrates the computation results according to the plurality of initial values acquired by the computation result acquisition unit in order of the initial time is a computing system including
また、本発明の一実施形態は、上述の演算システムにおいて、前記逆ラプラス変換法とは、FILT法である。 Further, according to an embodiment of the present invention, in the arithmetic system described above, the inverse Laplace transform method is the FILT method.
また、本発明の一実施形態は、時間変化する電磁界強度の波形についての複素周波数領域の関数に対する演算の時間軸における起点である初期時刻と、当該初期時刻からの演算時間幅とを、演算条件として取得する演算条件取得部と、前記演算条件取得部によって取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得部によって取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算部と、前記演算時間幅毎に前記演算部によって算出された前記演算結果を演算管理装置に対して出力する出力部と、を備える演算装置である。 Further, in one embodiment of the present invention , an initial time, which is the starting point on the time axis for calculation of a complex frequency domain function of a time-varying electromagnetic field intensity waveform, and a calculation time width from the initial time, are calculated. and an initial value, which is a calculation result of the waveform at the initial time obtained by the calculation condition acquisition unit, obtained by the calculation condition acquisition unit by discrete time response analysis using an inverse Laplace transform method for the function. a calculation unit that calculates and calculates a calculation result of the waveform for the calculation time width acquired by the calculation condition acquisition unit by sequential calculation along the time axis based on the calculated initial value; and an output unit configured to output the calculation result calculated by the calculation unit for each calculation time width to the calculation management device.
また、本発明の一実施形態は、演算装置が備えるコンピュータに、時間変化する電磁界強度の波形についての複素周波数領域の関数に対する演算の時間軸における起点である初期時刻と、当該初期時刻からの演算時間幅とを、演算条件として取得する演算条件取得ステップと、前記演算条件取得ステップにおいて取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得ステップにおいて取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算ステップと、前記演算ステップにおいて前記演算時間幅毎に算出された前記演算結果を演算管理装置に対して出力する出力ステップと、を実行させるためのプログラムである。 Further, in one embodiment of the present invention, a computer provided in an arithmetic device is provided with an initial time that is a starting point on the time axis of arithmetic operation on a complex frequency domain function for a waveform of time-varying electromagnetic field intensity, and a calculation condition obtaining step of obtaining a calculation time width as a calculation condition; Calculated by discrete time response analysis, and by sequential calculation along the time axis based on the calculated initial value, the calculation result of the waveform for the calculation time width obtained in the calculation condition obtaining step is obtained. and an output step of outputting the calculation result calculated for each calculation time width in the calculation step to a calculation management device .
この発明によれば、電磁界解析の演算を同時並列化することができる演算システム、演算装置及びプログラムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an arithmetic system, an arithmetic device, and a program capable of simultaneously parallelizing arithmetic operations for electromagnetic field analysis.
[実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図1は、本実施形態の演算装置10の構成の一例を示す図である。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an
[演算装置の構成]
演算装置10は、例えばパーソナルコンピュータなどの情報処理装置であって、供給される情報に基づいて演算を行い、演算結果を出力する。
演算装置10による演算の一例について説明する。この一例における演算装置10は、解析領域内のある位置における応答波形fwを算出する。例えば、演算装置10は、電磁波を放射するアンテナを波源とし、波源から放射される電磁波が入射する物体(例えば、球体や円筒体)を散乱体として、この波源及び散乱体を含む解析領域が与えられた場合に、解析領域内のある位置における電界強度の時間変化である応答波形fwを算出する。
なお、以下の説明において、応答波形fwを電磁界強度の時間変化を示すグラフとして表現するが、応答波形fwは、電磁界強度の時間変化を示す情報であればその表現形式は問わない。例えば、応答波形fwは、電磁界の空間分布や電磁界を、2次元平面内や3次元空間内の分布図などの形式によって示す情報であってもよい。
また、以下の説明において、解析領域に散乱体が含まれる場合を一例にして説明するが、これに限られない。例えば、解析領域には、電波を吸収する吸収体や、電波を放射する放射体などが含まれていてもよい。
[Configuration of computing device]
The
An example of calculation by the
In the following description, the response waveform fw is expressed as a graph showing the time change of the electromagnetic field strength, but the response waveform fw may be expressed in any form as long as it is information showing the time change of the electromagnetic field strength. For example, the response waveform fw may be information indicating the spatial distribution of the electromagnetic field or the electromagnetic field in the form of a distribution map in a two-dimensional plane or in a three-dimensional space.
Also, in the following description, a case in which the analysis region includes a scatterer will be described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the analysis region may include an absorber that absorbs radio waves, a radiator that emits radio waves, and the like.
より具体的には、演算装置10には、演算対象情報MDLと、初期時刻t0と、演算時間幅twとが、上位装置(不図示)から演算条件OCとして供給される。演算装置10は、供給される演算条件OCに基づいて応答波形fwを求める演算を行い、求めた応答波形fwを演算結果RSとして上位装置に出力する。この一例の場合、演算対象情報MDLには、波源から放射される電磁波の電磁界分布、散乱体の形状、相対位置、誘電率、透磁率など応答波形の解析に必要な諸情報が含まれる。演算装置10による演算結果RSの一例について、図2を参照して説明する。
More specifically, the computation target information MDL, the initial time t0, and the computation time width tw are supplied to the
図2は、本実施形態の演算装置10の演算結果RSの一例を示す図である。演算装置10は、応答波形fwを演算結果RSとして出力する。この一例において、応答波形fwとは、解析領域内のある位置における電界強度の時間変化である。この場合、応答波形fwは、横軸が時間(単位:fs(フェムト秒))、縦軸が電界強度(単位:V/m)によって示される。
演算装置10は、応答波形fwのうち、ある演算時間幅tw(例えば、初期時刻t0から時刻t1まで)についての波形を算出する。ここで、初期時刻t0とは、演算時間幅の開始時刻である。初期時刻t0における応答波形fwの値(例えば、電界強度)を初期値f0ともいう。
つまり、演算装置10は、初期時刻t0から演算時間幅twぶんの応答波形fwを算出し、算出した応答波形fwを演算結果RSとして出力する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the calculation result RS of the
The
That is, the
図1に戻り演算装置10の構成について説明を続ける。演算装置10は、演算条件取得部110と、演算部120と、出力部130とを備える。
演算条件取得部110は、上位装置(不図示)から演算条件OCとして供給される演算対象情報MDLと、初期時刻t0と、演算時間幅twとを取得する。
演算部120は、演算条件取得部110が取得する演算条件OCに基づいて、初期値f0と応答波形fwとを算出する。
出力部130は、算出した初期値f0と応答波形fwとを、上位装置(不図示)に対して出力する。
Returning to FIG. 1, the description of the configuration of the
Calculation
The
The
[演算の具体例]
演算部120が行う演算の具体例について説明する。本実施形態の演算部120は、初期時刻t0における初期値f0の算出と、初期時刻t0以降における応答波形fwの算出とを、それぞれ異なる算出方法によって行う。まず、初期時刻t0以降における応答波形fwの算出について説明する。
[Specific example of calculation]
A specific example of the calculation performed by the
[演算例(1)FDTD法]
演算部120は、FDTD法によって応答波形fwを算出する。
[Calculation example (1) FDTD method]
The
図3は、本実施形態の演算部120による演算に用いられる微小直方体の一例を示す図である。演算部120は、与えられた解析領域全体を、同図に示す微小直方体(例えば、Yee格子)によって分割する。ここで、同図のE(斜体)は電界を、H(斜体)は磁界を示す。電界E及び磁界Hの添え字xyz(いずれも斜体)は、それぞれx軸方向成分、y軸方向成分、z軸方向成分を示す。演算部120は、分割された微小直方体のそれぞれについてMaxwell方程式(式(1)及び式(2))を適用して、時間及び3次元空間のそれぞれについて定式化した結果を用いて、演算を行う。具体的には次の通りである。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a minute rectangular parallelepiped used for calculation by the
まず、時間についての差分を求める。式(1)及び式(2)に示すファラデーの法則及びアンペアの法則の時間微分項についてまとめると式(3)及び式(4)のようになる。 First, find the difference in time. The time differential terms of Faraday's law and Ampere's law shown in Equations (1) and (2) are summarized as Equations (3) and (4).
図4は、電界E及び磁界Hの時間配置の割り当ての一例を示す図である。
次に、図4に示すような電界E及び磁界Hの時間配置を、時間軸tに対して割り当て、中心差分を行うと、式(3)及び式(4)は、式(5)及び式(6)となる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of allocation of the time arrangement of the electric field E and the magnetic field H. FIG.
Next, the time arrangement of the electric field E and the magnetic field H as shown in FIG. 4 is assigned to the time axis t, and the central difference is performed. (6) becomes.
ここで式(6)のEn-1/2は定義されていないので式(7)のように近似する。 Since E n−1/2 in equation (6) is not defined here, it is approximated as in equation (7).
式(6)のEn-1/2を式(7)によって近似し、式(6)の右辺第一項に代入することにより、式(8)が得られる。 Equation (8) is obtained by approximating E n−1/2 of equation (6) by equation (7) and substituting it for the first term on the right side of equation (6).
式(5)及び式(8)についてまとめると、式(9)~式(11)になる。 Formulas (5) and (8) are summarized into formulas (9) to (11).
以上により、時間についての定式化が完了する。
次に3次元空間についての定式化を行う.式(9)と式(10)を(電界Ex、電界Ey、電界Ez、磁界Hx、磁界Hy、磁界Hz)の6成分に分け図4に示した電磁界の空間配置を適用して定式化すると以下のようになる。なお、以下の式(12)~式(19)において電界E及び磁界Hの記号には斜体表記を用いる。
This completes the formulation of time.
Next, we formulate the three-dimensional space. Equations (9) and (10) are divided into six components (electric field Ex, electric field Ey, electric field Ez, magnetic field Hx, magnetic field Hy, magnetic field Hz) and are formulated by applying the spatial arrangement of the electromagnetic field shown in FIG. Then it looks like this: It should be noted that symbols of the electric field E and the magnetic field H are italicized in the following equations (12) to (19).
演算部120は、以上のようにして時間及び3次元空間について定式化された演算式を、与えられた初期値f0に対して適用することにより、初期時刻t0以降における応答波形fwを算出する。
The
[演算例(2)数値逆ラプラス変換法(FILT法)]
演算部120は、数値逆ラプラス変換法(FILT法;Fast Inverse Laplace Transform method)によって応答波形fwを算出する。なお、数値逆ラプラス変換法は、NILT法(Numerical Inverse Laplace Transform method)とも称される。
複素周波数領域の関数F(s)は、数値逆ラプラス変換法(FILT法)により時間領域に変換できる。この数値逆ラプラス変換法(FILT法)は、逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析の一例である。一般的に、逆ラプラス変換はBromwich積分より以下の式で定義される。
[Calculation example (2) numerical inverse Laplace transform method (FILT method)]
The
The complex frequency domain function F(s) can be transformed to the time domain by the numerical inverse Laplace transform method (FILT method). This numerical inverse Laplace transform method (FILT method) is an example of discrete time response analysis by the inverse Laplace transform method. In general, the inverse Laplace transform is defined by the following equation from the Bromwich integral.
FILT法では式(22)の指数関数について、以下の式(23)による近似を行う。 In the FILT method, the exponential function of Equation (22) is approximated by Equation (23) below.
ただし、 however,
である。
式(24)の無限級数を数値計算のため有限の項数で打ち切り、式(26)を得る。
is.
The infinite series of equation (24) is truncated with a finite number of terms for numerical calculation to obtain equation (26).
ここで、式(26)におけるM(斜体)は、FILT法における打ち切り項数である。式(26)は、交代級数であるためEuler変換を適用することにより、式(27)に変換される。 Here, M (italicized) in Equation (26) is the number of truncated terms in the FILT method. Since Equation (26) is an alternating series, it is transformed into Equation (27) by applying the Euler transformation.
ここで、 here,
であり、p(斜体)は、Euler変換の項数を示す。式(27)は、ある観測時刻において他の観測時刻とは互いに独立に計算が可能であり、各観測時刻での電磁界を容易に並列計算できる。
また、FILT法における誤差は式(23)の近似より以下の式(29)で表せる。
and p (italic) indicates the number of terms of the Euler transformation. Equation (27) can be calculated independently from other observation times at a certain observation time, and the electromagnetic field at each observation time can be easily calculated in parallel.
Also, the error in the FILT method can be expressed by the following equation (29) from the approximation of equation (23).
式(29)より、近似のパラメータに対し、計算誤差は指数関数的に減少する。また、主に第一項が計算誤差となり、その誤差は、10-αとして見積れる。 From Equation (29), the calculation error decreases exponentially with respect to approximate parameters. Also, the first term is mainly the calculation error, and the error can be estimated as 10 −α .
[演算例(3)FDCFD-FILT法]
一般的なFDFD法(Finite-Difference Frequency-Domain method)では、上述したFDTD法と同様の空間メッシュ分割を用いつつ、周波数領域において行列方程式を解く。本実施形態の演算部120は、FDFD法を複素周波数領域に拡張したFDCFD法(Finite-Difference Complex Frequency-Domain method)と上述のFILT法とを用いる。この複素周波数領域でのMaxwell方程式は、式(30)及び式(31)によって示される。
[Calculation example (3) FDCFD-FILT method]
A general FDFD method (Finite-Difference Frequency-Domain method) solves matrix equations in the frequency domain while using spatial mesh division similar to the above-described FDTD method. The
このFDCFD法のアルゴリズムの定式化について、2次元の場合について説明する。
計算空間を離散化するために、式(30)及び式(31)は次の式(32)~式(35)に示す形式に書き換えることができる。
The formulation of the algorithm of this FDCFD method will be described for a two-dimensional case.
To discretize the computational space, Equations (30) and (31) can be rewritten in the form shown in Equations (32) to (35) below.
計算空間全体に対して同様の手順を適用するために、式(36)に示す行列形式の連立方程式を用いる。 To apply a similar procedure to the entire computational space, we use the system of equations in matrix form shown in Equation (36).
ここで、式(37)に示すように、金属の周波数分散を表すために、複素周波数s領域の複素誘電率をLorentz-Drudeによって示す。 Here, as shown in Equation (37), the complex permittivity in the complex frequency s region is expressed by Lorentz-Drude in order to represent the frequency dispersion of metal.
ここで、ωpはプラズマ周波数、kは、共振周波数ωj、媒質固有の定数fj、衝突周波数Γjである振動子の数である(式中の記号はいずれも斜体)。上述の連立方程式を解くことにより、複素周波数領域の電磁界を求めることができる。複素周波数領域における式(36)の解x(斜体)は、上述したFILT法を適用することによって時間領域に変換することができる。ここで、本実施形態のアルゴリズムにおいて、Bromwich積分の指数関数は次の式(38)によって近似することができる。 Here, ωp is the plasma frequency, k is the resonance frequency ωj, the medium-specific constant fj, and the number of oscillators having the collision frequency Γj (all symbols in the formula are italicized). By solving the above simultaneous equations, the electromagnetic field in the complex frequency domain can be obtained. The solution x (italics) of equation (36) in the complex frequency domain can be transformed to the time domain by applying the FILT method described above. Here, in the algorithm of this embodiment, the exponential function of Bromwich integral can be approximated by the following equation (38).
ここで、αは、近似パラメータである。Bromwich積分に式(38)を代入すると、式(39)が得られる。 where α is an approximation parameter. Substituting equation (38) into the Bromwich integral yields equation (39).
ここで、 here,
である。式(39)の無限級数を、数値計算のため有限の項数で打ち切り、Euler変換を適用することにより、逆ラプラス変換を示す式(42)を得る。 is. The infinite series of Eq. (39) is truncated with a finite number of terms for numerical calculations, and applying the Euler transform yields Eq. (42), which represents the inverse Laplace transform.
[演算例(4)複素周波数領域の積分方程式法]
本演算例において、散乱体はPEC(Perfect Electric Conductor)球であり、導体の厚さはゼロであり、開口は球面座標の範囲内に存在する(すなわち、球表面の一部に開口がある)と仮定する。このPEC球に対する入射波を式(45)に示す。
[Calculation example (4) Integral equation method in complex frequency domain]
In this computational example, the scatterer is a PEC (Perfect Electric Conductor) sphere, the thickness of the conductor is zero, and the aperture exists within the range of spherical coordinates (i.e., there is an aperture on a portion of the spherical surface). Assume that An incident wave to this PEC sphere is shown in equation (45).
ここで、 here,
である。また、正規化された複素周波数S=s(ε0μ0)1/2a、正規化された距離R=r/a、aは散乱体を取り囲む球の半径、θin及びφinは入射角、E0^(イーゼロ・ハット)は入射波のスペクトルである。
この一例の場合、複素周波数領域における電界積分方程式は、式(47)で与えられる。
is. Also, the normalized complex frequency S=s(ε 0 μ 0 ) 1/2 a, the normalized distance R=r/a, a is the radius of the sphere surrounding the scatterer, θin and φin are the angles of incidence, E 0 ^ (Ezero hat) is the spectrum of the incident wave.
For this example, the electric field integral equation in the complex frequency domain is given by equation (47).
ここで、J(R)は未知の表面電流分布、t^(ティー・ハット)は散乱体の表面上の単位接線ベクトルであり、 where J(R) is the unknown surface current distribution, t (tee hat) is the unit tangent vector on the surface of the scatterer,
である。散乱体の表面は三角形領域で分割され、式(51)に示すRWG(Rao‐Wilton‐Glisson)基底関数などを使用して拡張される。すなわち、電流密度Jは、RWG基底関数などを使用して式(50)のように展開される。 is. The surface of the scatterer is divided into triangular regions and extended using RWG (Rao-Wilton-Glisson) basis functions such as shown in equation (51). That is, the current density J is developed as shown in Equation (50) using RWG basis functions and the like.
ここで、Inは未知の展開係数、Nは未知数の数であり、 where In is the unknown expansion coefficient, N is the number of unknowns,
である。ここでAn
+、An
-は三角形Tn
+及び三角形Tn
-の面積、ρn
+及びρn
-は三角形Tn
+及び三角形Tn
-の頂点の位置ベクトル、lnは辺の長さである。
式(47)は、Inを基に式(50)に置き換えることにより離散化され(すなわち、式(50)のJ(R)を式(51)の基底関数fn(R)と式(50)の展開係数Inを基に置き換えることにより離散化され)、一組のテスト関数が乗算される。既知のモーメント法の手順と同様にして内積を求めることにより、表面電流を得る。表面電流分布に基づき、観測角(θ、φ)における散乱電界Eθ
(S)は、式(52)によって示される。
is. Here, A n + and A n - are the areas of triangle T n + and triangle T n - , ρ n + and ρ n - are the position vectors of the vertices of triangle T n + and triangle T n - , l n is the side length.
Equation (47) is discretized by replacing In with Equation (50) (i.e., J(R) in Equation (50) is replaced with basis function fn(R) in Equation (51) and Equation (50) ) and multiplied by a set of test functions. The surface current is obtained by calculating the inner product in the same manner as the known method of moments. Based on the surface current distribution, the scattered electric field E θ (S) at the observation angle (θ, φ) is given by equation (52).
ここで、 here,
この複素周波数領域の関数は、上述したFILT法を適用することにより、時間領域に数値的に変換される。 This complex frequency domain function is numerically transformed to the time domain by applying the FILT method described above.
[演算例(5)静的近似を用いた複素周波数領域の積分方程式]
図5は、本実施形態の解析対象物の一例を示す図である。本演算例において、解析対象物は同図に示す一様な金属で構成される任意形状物体とする。具体的には、同図に示すように、解析対象物は、任意形状の金属を分割した金属物体mtで構成され、そのサイズは入射波長に対し0.1倍以下とする。
金属の誘電率は、Lorentz-Drudeモデルとし式(55)により定義する。
[Calculation example (5) Complex frequency domain integral equation using static approximation]
FIG. 5 is a diagram showing an example of an object to be analyzed according to this embodiment. In this calculation example, the object to be analyzed is assumed to be an arbitrary-shaped object composed of a uniform metal shown in FIG. Specifically, as shown in the figure, the object to be analyzed is composed of a metal object mt obtained by dividing metal in an arbitrary shape, and the size of the object is set to 0.1 times or less of the incident wavelength.
The dielectric constant of a metal is defined by equation (55) as Lorentz-Drude model.
ここで、sは複素周波数、ωpはプラズマ周波数、ωjは共振周波数、ν0とν1とは衝突周波数、A0とAiとは媒質固有の定数、Kは振動子の個数である(式中の記号はいずれも斜体)。解析対象物の誘電率が負であり、解析対象物のサイズが入射波長に比べ十分小さい場合には、解析対象物近傍の電磁界が増強されるプラズモン共鳴が観測できる。
定式化を行うにあたり、散乱電磁界および入射界を式(56)で表わす。
where s is the complex frequency, ω p is the plasma frequency, ω j is the resonance frequency, ν 0 and ν 1 are the collision frequencies, A 0 and A i are constants specific to the medium, and K is the number of oscillators. (All symbols in the formula are in italics). If the dielectric constant of the object to be analyzed is negative and the size of the object to be analyzed is sufficiently smaller than the incident wavelength, plasmon resonance in which the electromagnetic field in the vicinity of the object to be analyzed is enhanced can be observed.
For formulation, the scattered electromagnetic field and the incident field are represented by equation (56).
解析対象物が入射波長に比べ十分小さいとし、静的近似を用いることで式(56)を式(57)、式(58)に展開する。 Assuming that the object to be analyzed is sufficiently smaller than the incident wavelength, equation (56) is developed into equations (57) and (58) using static approximation.
ここで、β=s(ε0μ0)1/2d、dは解析対象物のサイズを表す。式(57)及び式(58)において0次項は式(59)の境界条件を満足する。 Here, β=s(ε 0 μ 0 ) 1/2 d, d represents the size of the object to be analyzed. In equations (57) and (58), the 0th order term satisfies the boundary condition of equation (59).
ただし、E0 ±=ε-1/2e0 ±、fin^(s)(エフイン・ハット・エス)は入射波のスペクトル、nは単位法線ベクトルを示す。また、この静的近似により、解析対象物の境界面における電界の法線方向成分は未知表面電荷密度σ^(シグマ・ハット)を用いて以下の式(60)で表わせる。 where E 0 ± =ε −1/2 e 0 ± , f in ^(s) (efin hat s) is the spectrum of the incident wave, and n is the unit normal vector. Also, by this static approximation, the normal direction component of the electric field on the boundary surface of the object to be analyzed can be represented by the following equation (60) using the unknown surface charge density σ̂ (sigma hat).
ただし、Ωは解析対象物表面を示す。
次に、境界面における電束密度の法線方向成分連続の条件より、式(61)に示す境界型積分方程式が得られる。
However, Ω indicates the surface of the object to be analyzed.
Next, from the condition of continuity of the normal component of the electric flux density on the boundary surface, the boundary type integral equation shown in Equation (61) is obtained.
である。
次に、未知電荷密度を基底関数j^i(ジェイ・ハット・アイ)により近似展開する。
is.
Next, the unknown charge density is approximated by a basis function j ^ i (Jay hat eye).
aiは未知展開係数、Nは未知数の数を示す。式(61)を式(62)と試行関数t^i(ティー・ハット・アイ)により離散化し、式(64)の連立一次方程式が得られる。 ai is the unknown expansion coefficient and N is the number of unknowns. Equation (61) is discretized by Equation (62) and trial function t̂i (tee hat eye) to obtain the simultaneous linear equations of Equation (64).
式(64)の連立一次方程式の求解より、未知電荷密度を得る。
連立一次方程式の求解に反復法を用いた場合、BIEM(Boundary Integral Equation Method;境界型積分方程式法)では計算時間と計算機メモリが未知数N(斜体)の2乗のオーダO(N^2)に比例する(ここで、N^2はNの2乗を示す)。MM(Fast Multipole Method;高速多重極法)による高速化を行うためには、解析対象物をボックス分割する(図5を参照)。ここで、自由空間中のグリーン関数を以下の式(67)で表現する。
The unknown charge density is obtained by solving the simultaneous linear equations of Equation (64).
When the iterative method is used to solve the simultaneous linear equations, the BIEM (Boundary Integral Equation Method) reduces the calculation time and computer memory to the order of the square of the unknown number N (in italics) O(N^2). proportional (where N^2 denotes N squared). In order to increase the speed by MM (Fast Multipole Method), the object to be analyzed is divided into boxes (see FIG. 5). Here, the Green's function in free space is expressed by the following equation (67).
ただし、rmとrm’とはグループmとm’との中心までの距離ベクトルであり、 where r m and r m' are distance vectors to the centers of groups m and m',
である。LはFMMにおける打ち切り項数を示す。要素間の相互作用は、互いに近接したボックス内に属する場合は式(64)の行列要素を直接計算する。それ以外の場合は、式(67)を用いて計算をグループ化して行うことが可能になる。これにより、ボックス分割を2回行うレベル2における計算量はO(N1.5)、さらにボックス分割を行う多重レベル拡張時ではO(N)まで計算量を低減できる。
また、固有モード解析のため、式(61)は以下の固有方程式に変換される。
is. L indicates the number of truncated terms in FMM. Interactions between elements directly compute the matrix elements of equation (64) if they fall within boxes that are close to each other. Otherwise, equation (67) can be used to group the calculations. As a result, the amount of calculation at
Also, for eigenmode analysis, Equation (61) is transformed into the following eigenequation.
ここで、 here,
であり、kはモードナンバー、λkは固有値であり、式(70)を解くことで得る。また、共振時における誘電率εkは式(71)の関係より得られる。表面電荷の時間変化を表わすため、電荷密度を以下の式で展開する。 where k is a mode number and λ k is an eigenvalue, which are obtained by solving equation (70). Also, the permittivity ε k at resonance is obtained from the relationship of Equation (71). In order to express the change in surface charge over time, the charge density is developed by the following equation.
ここで、ak(t)は展開係数を示す。ラプラス変換により式(72)を複素周波数領域にて展開することで次式を得る。 Here, a k (t) indicates expansion coefficients. The following equation is obtained by expanding equation (72) in the complex frequency domain by Laplace transform.
ここで、 here,
これより得られたσk(r、s)をFILT法により時間領域に変換する。 σ k (r, s) thus obtained is transformed into the time domain by the FILT method.
[演算例(6)複素周波数領域の厳密解]
自由空間中に置かれたz軸に一様な二次元誘電体円柱の問題を解析する場合について説明する。入射波はz軸方向にのみ磁界成分を持つH波とし、円柱を構成する様々な媒質に対して、複素周波数領域における厳密解を求める。入射平面波Hz(i)に対する散乱電磁界Hz(s),Eφ(s)、Er(s)は式(76)~式(80)によって表せる。
[Calculation example (6) Exact solution in complex frequency domain]
The case of analyzing the problem of a two-dimensional dielectric cylinder uniform in the z-axis placed in free space will be described. The incident wave is assumed to be an H wave that has a magnetic field component only in the z-axis direction, and exact solutions in the complex frequency domain are obtained for various media that make up the cylinder. Scattered electromagnetic fields Hz(s), Eφ(s) and Er(s) for an incident plane wave Hz(i) can be expressed by equations (76) to (80).
ここで、H0(s):入射波形、An:散乱係数、In(・):第一種変形Bessel関数、Kn(・):第二種変形Bessel関数、r:観測距離、θ:観測角、φ:入射角、ε0:真空中の誘電率、μ0:真空中の透磁率、Z0:真空中の波動インピーダンスである(いずれも斜体)。散乱係数Anは、誘電体円柱を構成する媒質に対する境界条件を考慮することで、以下のように求まる。 Here, H 0 (s): incident waveform, A n : scattering coefficient, I n (·): first-class modified Bessel function, K n (·): second-class modified Bessel function, r: observation distance, θ : observation angle, φ: incident angle, ε 0 : permittivity in vacuum, μ 0 : magnetic permeability in vacuum, Z 0 : wave impedance in vacuum (both in italics). The scattering coefficient A n is obtained as follows by considering the boundary conditions for the medium forming the dielectric cylinder.
1)完全導体の場合 1) For a perfect conductor
ここで、a:円柱の半径である。 Here, a is the radius of the cylinder.
2) 誘電体の場合 2) For dielectrics
ここで、ε1:円柱の誘電率、εr:円柱の比誘電率、μ1:円柱の透磁率、μr:円柱の比透磁率である。 Here, ε 1 : dielectric constant of the cylinder, ε r : relative dielectric constant of the cylinder, μ 1 : magnetic permeability of the cylinder, and μ r : relative magnetic permeability of the cylinder.
3) 完全導体に誘電体コーティングした場合 3) When dielectric coating is applied to a perfect conductor
ここで、b:内部円柱の半径、a:外部円柱の半径、ε1:外部円柱の誘電率、εr1:外部円柱の比誘電率、μ1:外部円柱の透磁率、μr1:外部円柱の比透磁率である。 Here, b: radius of inner cylinder, a: radius of outer cylinder, ε 1 : permittivity of outer cylinder, ε r1 : relative permittivity of outer cylinder, μ 1 : magnetic permeability of outer cylinder, μ r1 : outer cylinder is the relative permeability of
4) 2層誘電体の場合 4) In the case of two-layer dielectric
ここで、ε2:内部円柱の誘電率、εr2:内部円柱の比誘電率、μ2:内部円柱の透磁率、μr2:内部円柱の比透磁率である。 Here, ε 2 : permittivity of inner cylinder, ε r2 : relative permittivity of inner cylinder, μ 2 : magnetic permeability of inner cylinder, μ r2 : relative permeability of inner cylinder.
[演算システムの全体構成]
次に、図6を参照して本実施形態の演算システム1の全体構成について説明する。
図6は、本実施形態の演算システム1の構成の一例を示す図である。演算システムは、1、複数台の演算装置10と、演算管理装置20と、記憶装置30とを備える。本実施形態の一例では、演算装置10-1から演算装置10-n(nは自然数。)までのn台の演算装置10を利用して、応答波形fwを算出する場合について説明する。
[Overall Configuration of Computing System]
Next, the overall configuration of the
FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of the
演算管理装置20は、演算装置10に対して演算条件OCを供給し、この演算条件OCに基づいて演算装置10が求めた演算結果RSを取得する。演算管理装置20は、複数台の演算装置10に対して、互いに異なる初期時刻t0を供給して演算させることにより、1つの応答波形fwを複数台の演算装置10に並列演算させる。
The
この演算管理装置20は、取得部210と、演算時間幅算出部220と、演算条件供給部230と、演算結果取得部240と、統合部250とを備える。
The
取得部210は、不図示の上位装置から演算対象情報MDLと並列装置数NPCとを取得する。ここで、並列装置数NPCとは、応答波形fwを算出する演算装置10の並列数である。
The
演算時間幅算出部220は、取得部210が取得した並列装置数NPCと、それぞれの演算装置10の演算性能CPとに基づいて、各演算装置10に担当させる演算時間幅twを演算装置10ごとに算出する。ここで、演算性能CPは、予め記憶装置30に記憶されていてもよいし、演算管理装置20が演算装置10に問い合わせることにより取得されてもよい。演算時間幅算出部220は、演算装置10ごとに算出した演算時間幅twに基づいて、各演算装置10の演算の初期時刻t0を演算装置10ごとに算出する。
Based on the number of parallel devices NPC acquired by the acquiring
演算条件供給部230は、演算条件OCを各演算装置10に供給する。この演算条件OCには、演算時間幅算出部220が算出した初期時刻t0と、演算時間幅twとが含まれる。具体的には、演算条件供給部230は、演算装置10-1に対して、初期時刻t0-1と、演算時間幅tw-1とを含む演算条件OC1を供給する。演算条件供給部230は、演算装置10-2に対して、初期時刻t0-2と、演算時間幅tw-2とを含む演算条件OC2を供給する。同様に、演算条件供給部230は、演算装置10-nに対して、初期時刻t0-nと、演算時間幅tw-nとを含む演算条件OCnを供給する。
The calculation
各演算装置10は、演算管理装置20から供給される演算条件OCに基づいて、応答波形fwを演算結果RSとして算出する。演算装置10は、算出した演算結果RSを演算管理装置20に対して供給する。具体的には、演算装置10-1は、演算結果RS1を演算管理装置20に対して供給する。演算装置10-2は、演算結果RS2を演算管理装置20に対して供給する。同様にして、演算装置10-nは、演算結果RSnを演算管理装置20に対して供給する。
Each
演算結果取得部240は、各演算装置10から供給される演算結果RSを取得する。この演算結果RSには、各演算装置10に割り当てた演算時間幅twぶんの応答波形fwの算出結果が含まれている。
The computation
統合部250は、演算結果取得部240が、演算装置10からそれぞれ取得した複数の演算結果RSを統合する。
The
[演算システムの動作]
次に、図7を参照して、演算システム1の動作の一例について説明する。
図7は、本実施形態の演算システム1の動作の一例を示す図である。
[Operation of computing system]
Next, an example of the operation of the
FIG. 7 is a diagram showing an example of the operation of the
(ステップS10)取得部210は、演算対象情報MDLを取得する。
(ステップS20)取得部210は、並列装置数NPCを取得する。ここでは、一例として4台の演算装置10によって並列演算する場合について説明する。この場合、並列装置数NPCは「4」である。
(ステップS30)取得部210は、記憶装置30から演算性能情報を取得する。この演算性能情報は、演算装置10の演算性能CPを演算装置10ごとに示す。この一例では、4台の演算性能CPが同等である場合について説明する。
(Step S10) The
(Step S20) The
(Step S<b>30 ) The
(ステップS40)演算時間幅算出部220は、ステップS20において取得された並列装置数NPCと、ステップS30において取得された演算性能情報とに基づいて、演算装置10ごとの演算時間幅twを算出する。演算時間幅算出部220が算出する演算時間幅twの具体例について、図8を参照して説明する。
(Step S40) The calculation time
図8は、本実施形態の演算装置10による並列演算の演算結果RS一例を示す図である。本実施形態の一例において、4台の演算装置10(演算装置10-1~演算装置10-4)が並列演算する場合について説明する。演算管理装置20は、開始時刻tsから終了時刻teまでを演算対象として、演算時間幅twの分割を行う。この一例の場合、4台の演算装置10が同等の演算性能CPを有している。このため、演算時間幅算出部220は、開始時刻tsから終了時刻teまでを均等に4分割することにより、演算時間幅twを分割する。具体的には、演算時間幅算出部220は、開始時刻tsから終了時刻teまでを演算時間幅tw-1、演算時間幅tw-2、演算時間幅tw-3、演算時間幅tw-4に4等分する。ここで、演算時間幅tw-1とは、演算装置10-1に割り当てられる演算時間幅twである。同様に、演算時間幅tw-2~-4とは、演算装置10-2~-4に割り当てられる演算時間幅twである。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a calculation result RS of parallel calculation by the
すなわち、演算管理装置20は、演算時間幅算出部220を備えている。この演算時間幅算出部220は、それぞれの演算装置10が備える演算部120の演算性能CPに基づいて、初期時刻t0からの演算時間幅twを演算装置10ごとに算出する。
That is, the
すなわち、演算時間幅算出部220は、演算部120の演算性能CPに基づいて演算時間幅twを算出する。つまり、演算時間幅twが、演算部120の演算性能CPに基づいて定められている。
That is, the calculation
演算時間幅算出部220は、分割した演算時間幅tw-1~-4を時系列に並べ、それぞれの演算時間幅twの開始時刻を、初期時刻t0として算出する。具体的には、演算時間幅算出部220は、演算時間幅tw-1の開始時刻を初期時刻t0-1とし、演算時間幅tw-2の開始時刻を初期時刻t0-2とし、演算時間幅tw-3の開始時刻を初期時刻t0-3とし、演算時間幅tw-4の開始時刻を初期時刻t0-4とする。
The computation
(ステップS50)図7に戻り、演算条件供給部230は、演算対象情報MDLと、演算時間幅算出部220が上述のようにして算出した演算時間幅tw及び初期時刻t0とを演算条件OCとして各演算装置10に供給する。より具体的には、演算時間幅算出部220は、演算対象情報MDLと演算時間幅tw-1及び初期時刻t0-1とを演算装置10-1に供給する。同様にして演算条件供給部230は、演算対象情報MDLと演算時間幅tw-2及び初期時刻t0-2とを演算装置10-2に、演算対象情報MDLと演算時間幅tw-3及び初期時刻t0-3とを演算装置10-3に、演算対象情報MDLと演算時間幅tw-4及び初期時刻t0-4とを演算装置10-4に、それぞれ供給する。
(Step S50) Returning to FIG. 7, the calculation
すなわち、演算条件供給部230は、複数の演算装置10に対して、演算装置10ごとに互いに異ならせた初期時刻t0を演算条件OCとして供給する。
That is, the calculation
また、演算条件供給部230は、演算時間幅算出部220が算出する演算時間幅twを、演算条件OCとして演算装置10に供給する。
Further, the calculation
各演算装置10は、演算管理装置20から供給された演算条件OCに基づいて、応答波形fwを演算結果RSとして算出する。これら演算装置10が算出する応答波形fwについて、再び図8を参照して説明する。
Each
各演算装置10の演算条件取得部110は、初期時刻t0を取得する。ここで、初期時刻t0とは、時間変化する応答波形fwについての演算の時間軸における起点である。
The calculation
各演算装置10は、初期時刻t0における初期値f0を算出する。また、各演算装置10は、算出した初期値f0に基づいて、演算時間幅twぶんの応答波形fwを算出する。より具体的には、演算装置10-1は、初期時刻t0-1における初期値f0-1を算出する。また、演算装置10-1は、初期値f0-1に基づいて、演算時間幅tw-1ぶんの応答波形fw1を算出する。演算装置10-2~-4は、演算装置10-1と同様にして応答波形fw-2~-4を算出する。
Each
ここで、演算装置10の演算部120は、上述したFDCFD-FILT法によって、初期値f0を算出する。すなわち、演算装置10は、逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって初期値f0を算出する。ここで、初期値f0とは、演算条件取得部110によって取得される初期時刻t0における応答波形fw(波形)についての演算結果RSである。また、ここでいう逆ラプラス変換法とは、FILT法である。
また、演算装置10の出力部130は、演算部120によって算出された初期値f0を出力する。
Here, the
Also, the
また、演算装置10の演算部120は、上述したFDTD法によって、初期時刻t0以降の演算時間幅twぶんの応答波形fwを算出する。すなわち、演算装置10は、算出された初期値f0に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、応答波形fwについての所定の演算時間幅twぶんの演算結果RSを算出する。
また、演算装置10の出力部130は、演算時間幅tw毎に演算部120によって算出された演算結果RSを出力する。
Further, the
Further, the
(ステップS60)図7に戻り、演算結果取得部240は、各演算装置10が算出した初期値f0及び応答波形fw、すなわち演算結果RSを取得する。具体的には、演算結果取得部240は、演算装置10-1から初期値f0-1と応答波形fw1とを取得する。これと同様にして、演算結果取得部240は、演算装置10-2から初期値f0-2と応答波形fw2とを、演算装置10-3から初期値f0-3と応答波形fw3とを、演算装置10-4から初期値f0-4と応答波形fw4とを、それぞれ取得する。
(Step S60) Returning to FIG. 7, the calculation
すなわち、演算結果取得部240は、供給された初期時刻t0に基づいて、複数の演算装置10がそれぞれ算出する初期値f0を取得する。
That is, the calculation
(ステップS70)統合部250は、ステップS60において各演算装置10から取得された、分割された応答波形fw(この具体例では、応答波形fw1~fw4)を1つの応答波形fwに統合する。すなわち、統合部250は、演算結果取得部240が取得する複数の初期値f0を統合する。
(Step S70) The
[実施形態のまとめ]
以上説明したように、初期時刻t0が与えられた場合において、演算装置10は、初期時刻t0における応答波形fwの初期値f0を逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出する。
[Summary of embodiment]
As described above, when the initial time t0 is given, the
一般に、応答波形fwの初期値f0が求められれば、初期時刻t0以降の応答波形fwは、時間軸に沿った逐次演算(例えば、上述したFDTD法)によって求めることができる。しかしながら、上述したFDTD法によって、ある初期時刻t0における初期値f0を求める場合には、初期時刻t0よりも前(過去)の時間軸に沿った逐次演算の結果が必要になる。つまり、従来の手法によると、任意の初期時刻t0が与えられた場合において、この初期時刻t0における応答波形fwの値(つまり、初期値f0)を求めることは困難である。 In general, once the initial value f0 of the response waveform fw is obtained, the response waveform fw after the initial time t0 can be obtained by successive calculations along the time axis (for example, the FDTD method described above). However, when obtaining the initial value f0 at a given initial time t0 by the above-described FDTD method, the results of sequential calculations along the time axis before (past) the initial time t0 are required. That is, according to the conventional method, given an arbitrary initial time t0, it is difficult to obtain the value of the response waveform fw at this initial time t0 (that is, the initial value f0).
本実施形態の演算装置10は、s領域において演算を行った結果を逆ラプラス変換によってt領域に逆変換することにより、離散的な時間応答解析を行う。このため、演算装置10は、任意の初期時刻t0が与えられた場合に、この初期時刻t0における応答波形fwの値(つまり、初期値f0)を数値演算によって求めることができる。つまり、演算装置10は、応答波形fwの一部のみを数値演算によって求めることができる。
本実施形態の演算装置10は、逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するため、他の演算装置10の演算結果を参照することなく初期値f0を算出することができる。したがって、本実施形態の演算装置10を複数台並列化した場合には、各演算装置10が初期値f0を他の演算装置10と同時並列に算出することができる。つまり、本実施形態の演算装置10によれば、応答波形fwの初期値f0の演算を同時並列化することができる。
The
Since the
また、本実施形態の演算装置10は、逆ラプラス変換における数値演算についてFILT法を採用している。逆ラプラス変換は一般的には困難な演算であるが、本実施形態の演算装置10によれば、逆ラプラス変換における数値演算を容易に行うことができる。
Further, the
また、本実施形態の演算装置10によれば、演算装置10の並列化を容易にすることができる。すなわち、本実施形態の演算装置10は、上述したように、初期時刻t0が与えられれば、この初期時刻t0における初期値f0(つまり、応答波形fwの一部)を数値演算によって求めることができる。このため、複数の演算装置10に対して、互いに異なる初期時刻t0を与えることにより、各演算装置10がこの演算装置10に対する初期値f0を算出することができる。例えば、演算装置10-1~-4の4台の演算装置10に対して、初期時刻t0-1~-4を与えることにより、演算装置10-1は、初期値f0-1を、演算装置10-2は初期値f0-2を、演算装置10-3は初期値f0-3を、演算装置10-4は初期値f0-4をそれぞれ算出する。ここで、各演算装置10は、逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって他の演算装置10とは独立して初期値f0を算出する。つまり、演算装置10は、他の演算装置10の演算結果を参照せずに初期値f0を算出することができる。したがって、演算装置10は、互いに他の演算装置10が初期値f0の演算中であったとしても、他の演算装置10の演算状況によらず、初期値f0を算出することができる。つまり、演算装置10は、他の演算装置10の演算状況によらず、個別に初期値f0(すなわち、応答波形fwの一部)を算出することができるため、演算装置10の並列化を容易にすることができる。
Further, according to the
また、本実施形態の演算装置10は、算出された初期値f0に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、応答波形fw(波形)についての所定の演算時間幅twぶんの演算結果RSを算出する。このように構成することにより、演算装置10は、初期値f0のみならず、初期時刻t0以降の時間幅の応答波形fwをも算出することができる。また、演算装置10は、初期時刻t0以降の時間幅の応答波形fwを、従来手法(例えば、FDTD法)によって算出するため、既存の演算ソフトウエアを流用することができ、演算ソフトウエアを流用できない場合に比べて簡便に演算ソフトウエアを構成することができる。
Further, the
また、本実施形態の演算装置10において、演算時間幅twが、演算部120の演算性能CPに基づいて定められている。したがって、応答波形fwの算出を並列化した場合に、比較的高性能な演算装置10にはより多くの演算時間幅twを割り当て、比較的低性能な演算装置10にはより少ない演算時間幅twを割り当てることができる。ここで、高性能な演算装置10は演算速度が相対的に速く、低性能な演算装置10は演算速度が相対的に遅い。各演算装置10は、演算性能CPに基づく演算時間幅twを受け持つことにより、例えば、低性能な演算装置10に対して多くの演算時間幅twが割り当てられることにより演算時間が長くなってしまうなど問題の発生を低減することができる。
Further, in the
また、本実施形態の演算管理装置20は、演算条件供給部230と、演算結果取得部240と、統合部250とを備えている。演算条件供給部230は、複数の演算装置10に対して、演算装置10ごとに互いに異ならせた初期時刻t0を演算条件OCとして供給する。演算結果取得部240は、供給された初期時刻t0に基づいて、複数の演算装置10がそれぞれ算出する初期値f0を取得する。統合部250は、各演算装置10が演算した複数の初期値f0(すなわち、応答波形fwの一部)を1つの応答波形fwに統合する。この本実施形態の演算管理装置20によれば、演算装置10の並列化を容易にすることができる。
Further, the
また、本実施形態の演算管理装置20は、演算時間幅算出部220を備えている。この演算時間幅算出部220は、それぞれの演算装置10が備える演算部120の演算性能CPに基づいて、初期時刻t0からの演算時間幅twを演算装置10ごとに算出する。この演算時間幅算出部220を備えることにより、応答波形fwの算出を複数の演算装置10によって並列化した場合に、比較的高性能な演算装置10にはより多くの演算時間幅twを割り当て、比較的低性能な演算装置10にはより少ない演算時間幅twを割り当てることができる。このように演算管理装置20は、演算時間幅算出部220が各演算装置10に割り当てる演算時間幅twを演算装置10ごとに算出することにより、それぞれの演算装置10による演算時間を演算装置10ごとに調整することができる。例えば、演算管理装置20は、低性能な演算装置10に対して少ない演算時間幅twを割り当て、高性能な演算装置10に対して多くの演算時間幅twを割り当てることにより、各演算装置10による演算開始から演算終了までの時間(つまり、演算処理時間)を揃えることができる。
Further, the
以上説明したように、本実施形態の演算装置10や演算管理装置20によれば、応答波形fwを求める演算を複数の演算装置10によって同時並行に行うことが可能になり、1台の演算装置10が応答波形fwを求める場合に比べて、演算装置10の1台あたりの演算負荷を低減することができる。このため本実施形態の演算装置10や演算管理装置20によれば、スーパーコンピュータのような極めて高性能な演算装置10によらなくても妥当な演算処理時間によって応答波形fwを算出することができる。
As described above, according to the
[演算結果の例]
並列化された複数の演算装置10によって算出される応答波形fwの具体例について、図9を参照して説明する。
図9は、本実施形態の複数の演算装置10によって算出される応答波形fwの具体例を示す図である。この一例では、演算装置10-11~-16(いずれも不図示)の6台の演算装置10の並列演算によって応答波形fwが算出される。演算時間幅tw11(時刻t1~時刻t2)について、演算装置10-11が応答波形fw11を算出する。演算時間幅tw12(時刻t2~時刻t3)について、演算装置10-12が応答波形fw12を算出する。以下同様にして、演算装置10-13~-16が応答波形fw13~16をそれぞれ算出する。
演算管理装置20の統合部250は、算出された応答波形fw11~16を応答波形fwとして統合する。
[Example of calculation result]
A specific example of the response waveform fw calculated by a plurality of parallel
FIG. 9 is a diagram showing a specific example of response waveforms fw calculated by the plurality of
The
[従来の演算結果との比較例]
図10は、従来手法により1台の演算装置によって算出される応答波形woの具体例を示す図である。図10の応答波形woは、1台の演算装置が従来手法(例えば、FDTD法)による時間軸に沿った逐次演算によって応答波形woを算出する。図10に示す一例の場合、図9の応答波形fwを求める際に与えられた演算対象情報MDLと同一の演算対象情報MDLが1台の演算装置に対して与えられている。つまり、図9の応答波形fwと、図10の応答波形woとは同一の演算対象情報MDLについての演算の結果である。図9に示した複数の演算装置10による並列演算の結果である応答波形fwと、1台の演算装置による応答波形woとがよく一致していることが示される。つまり、本実施形態の演算装置10及び演算管理装置20によれば、複数台の演算装置10が同時並列演算を行ったとしても、1台の演算装置によって行う従来手法と同一の演算の結果が得られる。
[Example of comparison with conventional calculation results]
FIG. 10 is a diagram showing a concrete example of the response waveform wo calculated by one computing device according to the conventional method. The response waveform wo in FIG. 10 is calculated by a single computing device through sequential computation along the time axis according to a conventional method (for example, the FDTD method). In the case of the example shown in FIG. 10, the same calculation object information MDL as the calculation object information MDL given when obtaining the response waveform fw of FIG. 9 is given to one arithmetic unit. In other words, the response waveform fw in FIG. 9 and the response waveform wo in FIG. 10 are the result of computation for the same computation target information MDL. It is shown that the response waveform fw, which is the result of parallel computation by the plurality of
また、1台の演算装置が従来手法(例えば、FDTD法)による時間軸に沿った逐次演算によって応答波形woを算出するための演算処理時間は、90分間であった。一方、これと同一の演算性能CPの演算装置10を利用した場合の、本実施形態の演算手法による実験結果は次の通りである。例えば、4台の演算装置10による並列演算によって応答波形fwを算出する場合、1台の演算装置10が初期値f0を算出するための演算処理時間が5分間であり、演算時間幅twぶんの応答波形fwを算出するための演算処理時間が28分間であった。つまり、本実施形態の演算手法によると、1台の演算装置が10初期値f0の算出と、演算時間幅twぶんの応答波形fwの算出とに要する演算処理時間は、32分間であった。本実施形態の演算装置10は並列化されているため、応答波形fw全体を32分間で算出することができる。したがって、この一例の場合において、本実施形態の演算手法によれば、従来手法の演算処理時間の約35%の演算処理時間によって応答波形fwを算出することができることが示された。
Further, it took 90 minutes for one arithmetic unit to calculate the response waveform wo by sequential arithmetic along the time axis according to the conventional method (for example, the FDTD method). On the other hand, the experimental results of the computation method of the present embodiment when using the
[変形例]
なお、これまで演算装置10は、初期値f0と応答波形fwとを算出するとして説明したが、これに限られない。演算装置10は、初期値f0のみを算出してもよい。演算装置10は、演算対象情報MDLと初期時刻t0とが与えられた場合、逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって初期値f0を算出することができる。ここで、並列演算する演算装置10の数は、初期値f0の数に対応する。n台の演算装置10が初期値f0-1~-nを算出し、算出した初期値f0-1~-nをプロットしても応答波形fwを得ることができる。初期値f0-1~-nをプロットすることにより応答波形fwを得れば、演算装置10が応答波形fwを算出しなくても、応答波形fwを得ることができる。つまり、演算装置10は、上述した逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって初期値f0を算出すれば、算出された初期値f0に基づく時間軸に沿った逐次演算を行わなくても応答波形fwを得ることができる。
例えば、数万台の演算装置10を並列化すれば、算出された数万点の初期値f0を応答波形fwとしてプロットすることができる。
[Modification]
Note that the
For example, if tens of thousands of
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。上述した実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and modifications can be made as appropriate without departing from the scope of the present invention. . You may combine the structure as described in embodiment mentioned above.
なお、上記の実施形態における演算装置10及び演算管理装置20が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
Note that each unit included in the
なお、演算装置10及び演算管理装置20が備える各部は、メモリおよびCPU(中央演算装置)により構成され、演算装置10及び演算管理装置20が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
In addition, each unit provided in the
また、演算装置10及び演算管理装置20が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御部が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
Also, a program for realizing the function of each part provided in the
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
The "computer system" also includes the home page providing environment (or display environment) if the WWW system is used.
The term "computer-readable recording medium" refers to portable media such as flexible discs, magneto-optical discs, ROMs and CD-ROMs, and storage devices such as hard discs incorporated in computer systems. Furthermore, "computer-readable recording medium" means a medium that dynamically retains a program for a short period of time, like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. It also includes those that hold programs for a certain period of time, such as volatile memories inside computer systems that serve as servers and clients in that case. Further, the program may be for realizing part of the functions described above, or may be capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in the computer system.
1…演算システム、10…演算装置、110…演算条件取得部、120…演算部、130…出力部、20…演算管理装置、210…取得部、220…演算時間幅算出部、230…演算条件供給部、240…演算結果取得部、250…統合部、30…記憶装置、MDL…演算対象情報、tw…演算時間幅、f0…初期値、t0…初期時刻、fw…応答波形
Claims (4)
前記演算条件取得部によって取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得部によって取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算部と、
前記演算時間幅毎に前記演算部によって算出された前記演算結果を演算管理装置に対して 出力する出力部と、
を備える演算装置と、
それぞれの前記演算装置に問い合わせることにより取得した前記演算装置ごとの前記演算部の演算性能に基づいて、前記初期時刻からの演算時間幅を前記演算装置ごとに算出する演算時間幅算出部と、
複数の前記演算装置に対して、前記演算装置ごとに互いに異ならせた前記初期時刻と、当該初期時刻からの前記演算時間幅とを、演算条件として供給する演算条件供給部と、
供給された前記初期時刻に基づいて、複数の前記演算装置がそれぞれ算出する前記初期値に応じた演算結果を取得する演算結果取得部と、
前記演算結果取得部が取得する複数の前記初期値に応じた演算結果を、前記初期時刻の順に統合する統合部と、
を備える演算管理装置と、
を含む演算システム。 change over timeof the electromagnetic field strengthabout the waveformfor complex frequency domain functionsan initial time that is the starting point on the time axis of the operation;The calculation time width from the initial time is used as the calculation conditiongetCalculation conditionan acquisition unit;
SaidCalculation conditionAn initial value, which is a calculation result of the waveform at the initial time acquired by the acquisition unit,for the functionCalculated by discrete time response analysis using the inverse Laplace transform methodand calculating a calculation result of the waveform corresponding to the calculation time width obtained by the calculation condition obtaining unit by performing sequential calculation along the time axis based on the calculated initial value.a computing unit;
Sending the calculation result calculated by the calculation unit for each calculation time width to the calculation management device an output unit for output;
a computing device comprising
an arithmetic time width calculation unit that calculates the arithmetic time width from the initial time for each arithmetic unit based on the arithmetic performance of the arithmetic unit for each arithmetic unit obtained by inquiring of each arithmetic unit;
an arithmetic condition supply unit that supplies, as arithmetic conditions, the initial time and the arithmetic time width from the initial time, which are different for each of the arithmetic devices, to the plurality of arithmetic devices;
a calculation result obtaining unit that obtains a calculation result corresponding to the initial value calculated by each of the plurality of calculation devices based on the supplied initial time;
an integration unit that integrates the operation results corresponding to the plurality of initial values acquired by the operation result acquisition unit in order of the initial time;
an arithmetic management unit comprising
Computing system including
請求項1に記載の演算システム。 The arithmetic system according to claim 1, wherein the inverse Laplace transform method is the FILT method.
前記演算条件取得部によって取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得部によって取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算部と、 calculating an initial value, which is a calculation result of the waveform at the initial time obtained by the calculation condition obtaining unit, by discrete time response analysis using an inverse Laplace transform method for the function, and calculating the calculated initial value; a calculation unit that calculates the calculation result of the waveform for the calculation time width acquired by the calculation condition acquisition unit by sequential calculation along the time axis based on
前記演算時間幅毎に前記演算部によって算出された前記演算結果を演算管理装置に対して出力する出力部と、 an output unit that outputs the calculation result calculated by the calculation unit for each calculation time width to a calculation management device;
を備える演算装置。 A computing device comprising
時間変化する電磁界強度の波形についての複素周波数領域の関数に対する演算の時間軸における起点である初期時刻と、当該初期時刻からの演算時間幅とを、演算条件として取得する演算条件取得ステップと、
前記演算条件取得ステップにおいて取得される前記初期時刻における前記波形についての演算結果である初期値を、前記関数に対する逆ラプラス変換法による離散的な時間応答解析によって算出するとともに、算出された前記初期値に基づく時間軸に沿った逐次演算によって、前記演算条件取得ステップにおいて取得される前記演算時間幅ぶんの前記波形についての演算結果を算出する演算ステップと、
前記演算ステップにおいて前記演算時間幅毎に算出された前記演算結果を演算管理装置に対して出力する出力ステップと、
を実行させるためのプログラム。 In the computer equipped with the arithmetic unit,
a calculation condition acquisition step of obtaining, as calculation conditions, an initial time, which is the starting point on the time axis of calculation for a function of the complex frequency domain for the time-varying electromagnetic field intensity waveform, and a calculation time width from the initial time ;
calculating an initial value, which is a calculation result of the waveform at the initial time obtained in the calculation condition obtaining step, by discrete time response analysis using an inverse Laplace transform method for the function , and calculating the calculated initial value; a calculation step of calculating the calculation result of the waveform for the calculation time width obtained in the calculation condition acquisition step, by sequential calculation along the time axis based on
an output step of outputting the calculation result calculated for each calculation time width in the calculation step to a calculation management device ;
program to run the
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