Paralelización en GPU soportada por CUDA de simulaciones de cristales líquidos basadas en partículas
DOI:
https://doi.org/10.30973/progmat/2025.17.2/3Palabras clave:
Tarjetas gráficas, Simulaciones de fluídos, optimización, dinámica de colisión de múltiples partículasResumen
Los cristales líquidos son fluidos que guardan cierta cantidad de orden en la orientación y posición de sus moléculas. Éstos han sido objeto de numerosas investigaciones debido a su relevancia tecnológica. En este trabajo de investigación se propone un método de simulación para la fase de cristal líquido con la simetría más sencilla, conocida como fase nemática. El método está basado en partículas que interactúan en conjuntos independientes, lo que permite plantear programarlo en paralelo. Esto se lleva a cabo en unidades de procesamiento gráfico (GPU) en la arquitectura CUDA de NVIDIA. Se demuestra que el método permite simular la aparición de orden molecular en condiciones reproducibles. También se exhibe claramente que el procedimiento en paralelo tiene un desempeño mucho más alto que el que brinda una versión serial del mismo algoritmo de simulación.
Citas
Feynman R, Sands M, Leighton R. The Feynman Lectures on Physics. Volume II. New York: Basic Books; 2011.
Dunmur D, Sluckin T. Soap, Science, and Flat-Screen TVs: A History of Liquid Crystals. Oxford: Oxford University Press; 2011.
Palffy P. The diverse world of liquid crystals. Physics Today. 2007;60(9):54-59. https://doi.org/10.1063/1.2784685.
Tomilin MG, Povzun SA, Kurmashev AF, Gribanova EV, Efimova TA. The application of nematic liquid crystals for objective microscopic diagnosis of cancer. Liquid Crystals Today. 2001;10(2):3-5. https://doi.org/10.1080/14645180110074819.
Wang H, Xu T, Fu Y, Wang Z, Leeson M, Jiang J, Liu T. Liquid Crystal Biosensors: Principles, Structure and Applications. Biosensors. 2022;12(8):639-666. https://doi.org/10.3390/bios12080639.
Peng C, Turiv T, Guo Y, Wei QH, Lavrentovich OD. Command of active matter by topological defects and patterns. Science. 2016;354(6314):882-886. https://doi.org/10.1126/science.aah6936.
Hirst L. Fundamentals of Soft Matter Science. Boca Raton: CRC Press; 2013.
Care CM, Cleaver DJ. Computer simulation of liquid crystals. Reports on Progress in Physics. 2005;68(11):2665-2700. https://doi.org/10.1088/0034-4885/68/11/R04.
Shendruk T, Yeomans J. Multi-particle collision dynamics algorithm for nematic fluids. Soft Matter. 2015;11(1):5101-5110. https://doi.org/10.1039/C5SM00839E.
Lee KW, Mazza MG. Stochastic rotation dynamics for nematic liquid crystals. The Journal of Chemical Physics. 2015;142(16):164110-164117. https://doi.org/10.1063/1.4919310.
Petersen M, Lechman J, Plimpton S, Grest G, Veld P, Schunk P. Mesoscale hydrodynamics via stochastic rotation dynamics: Comparison with Lennard-Jones fluid. The Journal of Chemical Physics. 2010;132(17):174106. https://doi.org/10.1063/1.3419070.
Westphal E, Singh S, Huang C, Gompper G, Winkler R. Multiparticle collision dynamics: GPU accelerated particle-based mesoscale hydrodynamic simulations. Computer Physics Communications. 2014;185(2):495-503. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2013.10.004.
Howard M, Panagiotopoulos A, Nikoubashman A. Efficient mesoscale hydrodynamics: Multiparticle collision dynamics with massively parallel GPU acceleration. Computer Physics Communications. 2018;230:10-20. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.04.009.
Howard M, Nikoubashman A, Palmer J. Modeling hydrodynamic interactions in soft materials with multiparticle collision dynamics. Current Opinion in Chemical Engineering. 2019;23:34-43. https://doi.org/10.1016/j.coche.2019.02.007.
Halver R, Junghans C, Sutmann G. Using heterogeneous GPU nodes with a Cabana-based implementation of MPCD. Parallel Computing. 2023;117:103033. https://doi.org/10.1016/j.parco.2023.103033.
Híjar H. Hydrodynamic correlations in isotropic fluids and liquid crystals simulated by multi-particle collision. Condensed Matter Physics. 2019;22(1):13601. https://doi.org/10.5488/CMP.22.13601.
Híjar H, Halver R, Sutmann G. Spontaneous Fluctuations in Mesoscopic Simulations. Fluctuation and Noise Letters. 2019;18(3):1950011. https://doi.org/10.1142/S0219477519500111.
Gompper G, Ihle T, Kroll DM, Winkler RG. Multi-Particle Collision Dynamics - A Particle-Based Mesoscale Simulation Approach to the Hydrodynamics of Complex Fluids. Berlin: Springer; 2009.
Soyata T. GPU Parallel Program Development Using CUDA. Boca Raton: CRC Press; 2018.
Cook S. CUDA Programming: A Developer's Guide to Parallel Computing with GPUs. Waltham: Morgan Kaufmann; 2012.
Downey A. The Little Book of Semaphores. Massachusetts: Green Tea Press; 2016.
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