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Implementation of Monte Carlo based PET verification of ion beam delivery into a TPS

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Radiation Medicine and Protection 2022年第3期3卷 131-138页

作者： Pablo Yepes Zhuangming Shen Michael F.Moyers Qianxia Wang Hongliang Chen Jie Li Yongqiang Li james lin Rice University HoustonTX77005USA Shanghai Proton and Heavy Ion Center Shanghai Engineering Research Center of Proton and Heavy Ion Radiation TherapyShanghai 201315China

Objective:To develop and implement an ion beam teletherapy verification system based upon simulations of induced radioactivity and comparison with patient positron emission tomography(PET)***:A Monte Carlo algorithm was integrated into an in-house built treatment,information,management,and planning system(TIMPS■)to calculate distributions of positron emitters induced by ion *** distribu-tions are processed to simulate PET images taking into account positron diffusion,radioactive decay,biological washout,and detector *** tools were developed to register simulated PET images with planning CT images and perform comparisons of measured and simulated PET ***:Production cross-sections were generated for various isotopes and *** plans for several different body sites were used to verify the functioning and utility of the new tools for both proton and carbon ion ***:Several tools have been developed to simulate PET scans of patients irradiated with ion beams and compare the simulated images to *** commissioning and implementation into the clinic,the appropriate sizes for margins that account for uncertainties may be investigated.

关键词： ion beam PET Monte Carlo

Verification of an independent dose calculation method for portal-specific QA of proton and carbon ion beams

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Radiation Medicine and Protection 2022年第3期3卷 152-157页

作者： Michael F.Moyers Qianxia Wang Yu Deng Hongliang Chen Zhi Chen Xiaoli Liu Nicki Schlegel Jie Li Zhuangming Shen james lin Pablo Yepes Shanghai Proton and Heavy Ion Center Shanghai 201315China Shanghai Engineering Research Center of Proton and Heavy Ion Radiation Therapy Shanghai 201315China Rice University HoustonTXUSA

Objective:To verify the accuracy of an independent dose calculation method,as incorporated into an in-house developed treatment planning system(TPS),for performing quality assurance of dose distributions delivered to a water phantom planned by a clinical ***:A Monte Carlo based track repeating algorithm was incorporated into an in-house treatment planning system for proton and carbon ion *** were performed in a flat water phantom for both a traditional pencil beam algorithm and a new Monte Carlo algorithm,and then compared to measurements made at multiple depths with a 2D ionization array for 44 patient *** comparisons utilized a Gamma ***:A total of 124 measurements were performed for proton and carbon ion patient *** a small Gamma criteria of 2%/2 mm,an average of 93%and 97%of measurement points passed for each portal for pencil beam and Monte Carlo calculations,*** passing rate was substantially higher for Monte Carlo calculations than for pencil beam calculations for portals that used a range ***:The implemented independent method has been verified against *** high passing rate with small tolerances leads to the possibility of reducing the number of required quality assurance measurements.

关键词： Ion beam Quality assurance Monte Carlo Ionization chamber array

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SKA低频成像管线并行优化

中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第2期53卷 17-31页

作者：韦建文张晨飞劳保强林新华安涛上海交通大学网络信息中心上海200240 中国科学院上海天文台上海200030 云南大学物理与天文学院昆明650500

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜的数据处理是通过管线方式进行的,管线的执行效率是SKA区域中心考虑的重要因素.连续谱成像观测是SKA的主要观测模式之一,也是许多科学工作的基础.本文以SKA低频先导设备(Murchison W... 详细信息

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜的数据处理是通过管线方式进行的,管线的执行效率是SKA区域中心考虑的重要因素.连续谱成像观测是SKA的主要观测模式之一,也是许多科学工作的基础.本文以SKA低频先导设备(Murchison Widefield Array,MWA)的成像管线为例,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,CSRC-P)上进行并行处理管线优化.以往的优化方案都集中在少数性能热点,缺乏对整体管线的系统优化,导致整体加速比相对较低.针对这一问题,本文提出一种全局优化方案,针对管线使用多种编程语言和图像数据可独立处理的特点,综合使用C++多线程、Python多进程和Shell多任务并行等优化方法,并验证了优化结果的准确性.实验表明,优化后的代码在CSRC-P的x86节点和ARM(Advanced RISC Machine)节点上分别获得了2.7和2.4倍加速,运行时间分别从7479和9666 s,降低为2759和4061 ***计算节点展现出对SKA应用良好的适应性.本文的优化策略和方法也适用于其他SKA科学应用,对SKA先导望远镜的科学运行和未来的运行也有帮助.

关键词：平方公里阵列低频成像高性能计算并行优化

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射电脉冲星搜索的优化方法

中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第2期53卷 56-71页

作者：韦建文张晨飞张仲莉余婷林新华安涛上海交通大学网络信息中心上海200240 中国科学院上海天文台射电天文重点实验室上海200030 上海引力波探测前沿科学中心上海200240 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

天文学计算通常具有数据量大、计算量多的特点.平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)等装置的建设和高性能计算平台的发展促进了天文学与高性能计算之间的联系.脉冲星搜索是SKA的主要科学方向之一.本文介绍了一种基于Ope... 详细信息

天文学计算通常具有数据量大、计算量多的特点.平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)等装置的建设和高性能计算平台的发展促进了天文学与高性能计算之间的联系.脉冲星搜索是SKA的主要科学方向之一.本文介绍了一种基于OpenMP多线程和Multiprocessing多进程技术加速脉冲星搜索管线的方案,提出了一种解决负载不平衡问题的方法,并成功地将优化后的管线安装于中国SKA区域中心原型机的x86和ARM计算节点.在默奇森大视场阵列望远镜(Murchison Widefield Array,MWA)的3个脉冲星搜索样例上的测试显示,与原始单核心管线相比,优化后的管线在x86和ARM节点上分别获得10.4–12.2倍和24.5–25.8倍的加速,并行效率达到37.1%–43.6%和24.5%–26.9%.并且ARM节点比x86节点的计算快1.1–1.3倍,显示出国产计算设备在SKA数据处理方面的巨大潜力.这项应用优化成果,近期将用于加速MWA南天快速两米巡天(Southern-sky MWA Rapid Two-metre,SMART)项目的脉冲星搜寻工作.

关键词：平方公里阵列脉冲星脉冲星搜索高性能计算并行优化

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激光等离子体相互作用模拟的并行和加速研究

计算机科学与探索 2018年第4期12卷 550-558页

作者：武海鹏文敏华 SEE Simon 林新华上海交通大学高性能计算中心上海200240 NVIDIA Technology Center 新加坡东京工业大学学术国际情报中心日本东京

随着生成超短激光脉冲技术的不断发展,对这种激光脉冲和等离子体相互作用进行动力学描述也变得越来越重要。PIC(particle-in-cell)是一种在等离子体物理中,研究充能粒子在电磁场中运动轨迹的广泛采用的方法。尽管现在已经有一些在GPU上... 详细信息

随着生成超短激光脉冲技术的不断发展,对这种激光脉冲和等离子体相互作用进行动力学描述也变得越来越重要。PIC(particle-in-cell)是一种在等离子体物理中,研究充能粒子在电磁场中运动轨迹的广泛采用的方法。尽管现在已经有一些在GPU上的PIC方法的实现,但是基于激光等离子体相互作用模拟的特点,仍然有很多重要问题可以尝试其他解决思路。提出了一种把初始的基于CPU的LPI模拟代码完整移植到GPU上的可行方法。提出了一系列加速初始的GPU版本的方法:动态冗余算法、混合精度算法、粒子排序算法。利用并且评估了GPUDirect RDMA(remote direct memory access)技术,其可以提高MPI的通信性能。实验结果证明,与初始的GPU版本相比,"Scatter"阶段加速比为6.1倍,当MPI传输数据大于3 KB时,通信过程提速了2.8倍。这些研究证明了针对模拟应用和GPU集群的特点进行特殊的优化能对性能带来显著的提升。

关键词：激光等离子体相互作用粒子网格模拟统一计算设备架构(CUDA) CUDA优化 GPUDirect RDMA

VLPL-S在Knights Landing上的优化与性能评估

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计算机科学与探索 2018年第2期12卷 241-251页

作者：丁丹迪文敏华周姗陈民林新华上海交通大学高性能计算中心上海200240 英特尔亚太研发中心上海200240 上海交通大学物理与天文系上海200240 东京工业大学

VLPL-S代码是基于Particle-in-Cell(PIC)算法开发的激光等离子体模拟程序,PIC算法是激光等离子模拟领域的常用主流算法之一。讲述了VLPL-S代码在Intel?新推出的Knights Landing平台上的早期移植及优化工作。通过采用在代码优化中常用的... 详细信息

VLPL-S代码是基于Particle-in-Cell(PIC)算法开发的激光等离子体模拟程序,PIC算法是激光等离子模拟领域的常用主流算法之一。讲述了VLPL-S代码在Intel?新推出的Knights Landing平台上的早期移植及优化工作。通过采用在代码优化中常用的优化方法,例如访存优化、多线程优化、向量化,为VLPL-S代码实现了1.68倍的加速比。对于优化以后的VLPL-S代码,其在Knights Landing 7210P单节点上的性能是其在双路Xeon E5-2697v4节点上性能的1.53倍。还对比了不同优化方法在Knights Landing及Xeon平台上所获得的性能提升。结果表明,对于VLPL-S代码,以往CPU代码优化工作中常用的优化方法在新的Knights Landing平台中同样有效。

关键词：激光等离子体模拟 Particle-in-Cell Knights Landing

基于NVIDIA Kepler的PIC方法并行

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计算机工程与科学 2013年第11期35卷 100-104页

作者：文敏华林新华 Simon Chong Wee See 上海交通大学高性能计算中心上海200240 东京工业大学日本东京152-8550 NVIDIA Corporation 新加坡

PIC方法是计算等离子体物理中广泛使用的一种计算方法。通常情况下需要使用大量的计算粒子以达到高的计算精度,这导致非常庞大的计算量。因而PIC方法的加速研究对于减少其时间成本非常有意义。设计了一个基于NVIDIA Kepler GPU的PIC算法... 详细信息

PIC方法是计算等离子体物理中广泛使用的一种计算方法。通常情况下需要使用大量的计算粒子以达到高的计算精度,这导致非常庞大的计算量。因而PIC方法的加速研究对于减少其时间成本非常有意义。设计了一个基于NVIDIA Kepler GPU的PIC算法,并使用CUDA在GPU上实现了该算法。在PIC方法中最耗时间的两个函数collision和mover被移植到GPU上。在实验中使用了NVIDIA新发布的Kepler K20GPU进行这两个函数的性能测试,相比于Intel Sandy Bridge E5-2650,最高获得了30倍的加速。

关键词： PIC方法 CUDA NVIDIA Kepler

星系分组算法的并行设计与优化:SGI系统与分布式集群对比

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计算机科学 2017年第10期44卷 80-84页

作者：司雨濛韦建文 Simon SEE 林新华上海交通大学高性能计算中心上海200240 NVIDIA 新加坡138522

Halo-based Galaxy Group Finder(HGGF)是一种有效的星系分组算法,它根据星系的空间位置、红移、质量等多种属性将星系分组,从而为星系组的形成与演化研究提供重要依据。但是,算法当前的OpenMP实现版本仅能利用单节点提供的资源,在大规... 详细信息

Halo-based Galaxy Group Finder(HGGF)是一种有效的星系分组算法,它根据星系的空间位置、红移、质量等多种属性将星系分组,从而为星系组的形成与演化研究提供重要依据。但是,算法当前的OpenMP实现版本仅能利用单节点提供的资源,在大规模星系分组问题上的应用受到限制。一种优化思路是采用多机并行,使其可以利用更多资源来解决更大规模的星系分组问题,并缩短执行时间。因此,有必要对算法重新进行设计与实现。实现此目标的一大挑战是程序中存在大量半随机性远端内存访问,其在多机并行环境下会对性能造成重大影响。为克服这一难题,设计中提出了邻接星系链表思想,并采用Unified Parallel C(UPC)进行程序实现。对于核代码部分,使用4,8,16节点时,可分别取得2.25,2.78,5.07倍的加速比;同时,对单个节点的内存需求也显著减少。OpenMP版本在SGI UV2000上的实验结果显示,受限于程序的访存特性与机器体系架构的特点,类似HGGF算法这种具有随机数据访问特征的程序,很难有效利用NUMA结构的共享内存系统中提供的大规模线程与内存资源来直接取得高加速比。在分布式内存集群上采用两级并行设计,以更好地利用局部性原理,可能是更好的解决方案。

关键词：高性能计算星系分组并行计算 UPC OpenMP

基于定点压缩技术的双层粒子网格算法的设计与优化

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计算机科学 2020年第8期47卷 56-61页

作者：程盛淦于浩然韦建文林新华上海交通大学高性能计算中心上海200240 厦门大学天文学系福建厦门361005

现代天体物理学的研究离不开大规模N-body模拟。N-body模拟常用的算法之一是粒子网格(Particle-Mesh,PM)算法,但是PM算法需要消耗较多的内存容量。内存限制成为了N-body模拟在现代超算平台大规模扩展的瓶颈。因此,文中使用了利用定点压... 详细信息

现代天体物理学的研究离不开大规模N-body模拟。N-body模拟常用的算法之一是粒子网格(Particle-Mesh,PM)算法,但是PM算法需要消耗较多的内存容量。内存限制成为了N-body模拟在现代超算平台大规模扩展的瓶颈。因此,文中使用了利用定点压缩技术减少内存消耗的方法,将存储每个N-body粒子相空间的内存消耗减少到最低6个字节,比传统PM算法低近一个数量级。文中实现了基于定点压缩技术的双层粒子网格算法,并使用包括混合精度计算、通信优化在内的方法对其性能进行了优化。这些优化技术显著降低了定点压缩带来的性能损耗,将压缩和解压在程序总耗时中的占比从21%降低至8%,并且在核心计算热点上达到了最高2.3倍的加速效果,使得程序在较低的内存消耗下保持较高的计算效率和扩展性。

关键词： N-body模拟粒子网格算法混合精度计算大规模并行