硒化銅鋅錫中子衍射模擬演算法開發及優化

Abstract

CZTSe硒化銅錫鋅為研究中的新型化合物太陽能電池材料，該材料具有低汙染、低製程成本的優勢，是取代目前太陽能電池材料的理想方案。製備薄膜硒化銅鋅錫時，材料形成的晶格結構會影響太陽能電池的光電特性，因此，進一步研究硒化銅鋅錫的結構對於理解及合理設計太陽能電池設備非常重要。本研究實作應用於計算硒化銅鋅錫中子衍射強度的蒙地卡羅演算法，透過演算法隨機生成硒化銅鋅錫的結構並根據薛丁格方程式計算其中子衍射強度，達到對實驗材料晶格結構精算的目的。為模擬實驗製備的粉末材料，演算法必須對龐大的晶格結構進行運算，以單核心CPU的運算能力進行需要耗費大量的時間來完成，而演算法的隨機性質需要多次的迭代計算來尋找最佳解，因此本研究針對演算法的效率進行研究以及優化。本研究以平行運算架構加速模擬運算效率，並透過增加硬體設備、提高並行性以及演算法優化等等方式提升模擬計算的效能，使硒化銅鋅錫中子衍射模擬演算法具擁有極高的效率。 本研究首先使用單個圖形處理器處理演算法中耗時最多的內積運算，以Nvidia公司提供的統一計算架構（CUDA）作為應用程式介面平行化演算法的計算，成功獲得5516倍的效能優化（相較於CPU）。隨後本研究更進一步使用訊息傳遞介面(MPI)將演算法分配至不同的核心進行運算，並啟用多個圖形處理器提高演算法的並行性；接著以不同的方式嘗試優化經過平行化的演算法，最佳化的使用各個硬體中的資源，使演算法能夠在對短的時間內完成。 最終本研究最佳化硒化銅鋅錫演算法，使模擬效能進一步提升至42678倍 (相較於CPU)，大幅提升演算法的效率。此外，本研究透過擴充數個功能提高演算法的可靠度，包括添加數值演算法—模擬退火(Simulated annealing)法，使演算法能夠在龐大的解空間中有規則的尋找全域最佳解；實作物件導向版本的演算法，增加程式的可讀性以及安全性。