近日，《中国科学报》以“仿真计算只需30分钟，数学力量拓展新型材料的自主创新”为题，报道由南京应用数学中心林文伟教授和东南大学李铁香教授团队设计研发、基于GPU计算平台的FAME软件包，该软件包以仿真插件的形式已正式发布在北太天元（Ubuntu版）v3.0*。
*已支持Ubuntu20.04版本，更多版本持续更新中
《中国科学报》报道截图
报道中提到，“北太天元（Ubuntu版）v3.0成功上线FAME插件，将进一步促进FAME算法的推广应用，将助力我国光通讯、光子集成器件的设计及国防科技等核心领域迸发自主创新活力。”
关于FAME：助力工程领域应用
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而形成的规则结构材料，具有普通光学材料所不具备的光子禁带特性，在科学界和产业界被称为“光半导体”或“未来的半导体”，被誉为二十一世纪最具潜力的新型材料。
近年来，南京应用数学中心林文伟教授和东南大学李铁香教授团队在三维光子晶体能带结构的快速计算方面进行了深入研究，成功设计了三维光子晶体能带结构计算的快速算法FAME（Fast Algorithms for Maxwell's Equations），算法整体呈现O(n log n)计算时间的复杂度，且FAME的计算过程有利于程序的并行化实现。
FAME可对（双）各向同（异）性、具有拟周期边界条件的三维光子晶体的全部14种布拉维晶格结构实现快速数值仿真。相比其他三维光子晶体仿真软件而言，FAME运用了先进的数学技巧，计算内存需求小，利用GPU高性能计算技术可实现计算效率的极大提升。
以三维光子晶体的面心立方晶格和NVIDIA Tesla V100显卡为例，在五百万的离散矩阵规模下，FAME可以在30分钟左右完成能带结构的计算，仿真速度是其CPU版本的50倍以上。
FAME 插件的快速仿真技术有助于提升材料学、物理学等相关领域的研究效率。用户可基于 FAME 插件高效搭建三维光子晶体能带结构数据库，进而实现逆向的材料电磁参数和几何结构的最优设计。
调用FAME：仅需2步，在北太天元完成调用
运行北太天元后，在命令行窗口输入以下内容加载该插件：load_plugin(“FAME”)
加载完成后，在命令行窗口输入以下内容即可调用函数：Eigenvalue=FAME(“FAME_opt.txt”, “Eigenvalue.txt”)
具体使用说明可查看北太天元帮助文档中相关板块
在北太天元运行FAME得到的计算结果示例
下载北太天元（Ubuntu版）v3.0
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以下为全文报道：
作者：韩扬眉 来源：中国科学报
报道原文链接：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/12/514424.shtm
仿真计算只需30分钟，数学力量拓展新型材料的自主创新
近日，由南京应用数学中心林文伟教授和东南大学李铁香教授团队设计研发、基于GPU计算平台的FAME软件包以仿真插件的形式正式发布，该成果有望推动新型材料高效仿真算法在相关领域的自主开发应用。
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而形成的规则结构材料，具有普通光学材料所不具备的光子禁带特性，在科学界和产业界被称为“光半导体”或“未来的半导体”，被誉为二十一世纪最具潜力的新型材料。
光子晶体可以依据频率范围实现对电磁波的调控，这使得人们可以按照自己的设计需求来控制电磁波的传播，因此，对光子晶体能带结构的计算，对光通讯、光子集成器件的设计及国防科技等领域均具有重要意义。
通过理论分析或者数值仿真来预测材料性质和优化材料设计，是研究材料的一种重要手段。
近年来，林文伟和李铁香团队在三维光子晶体能带结构的快速计算方面持续深入研究。近日，团队成功设计了三维光子晶体能带结构计算的快速算法FAME（Fast Algorithms for Maxwell's Equations），算法整体呈现计算时间的复杂度，且FAME的计算过程有利于程序的并行化实现。研究成果刊发在国际权威期刊SIAM Journal on Scientific Computing。
科研团队研究三维各向异性光子晶体能带结构的快速算法，通过直接使用以晶格平移向量为基底的斜坐标系和 Maxwell 方程的协变表述，提出了一种可以统一处理正交及非正交布拉维晶格、各向同性及各向异性介质的算法框架。
特别地，该算法框架在离散化过程中可以轻松处理电磁场的布洛赫条件。在将频域 Maxwell 方程组离散化为标准代数特征值问题后，利用矩阵分析的技巧对其进行模型压缩，便可将该问题直接被转化无零空间的标准特征值问题，结合求逆Lanczos算法可轻松得到其最小的几个正特征值和相应的特征向量。论文中，该算法与商业软件 COMSOL中进行了大量数值比较，充分展现了新算法的有效性和高效性。
独立自主的科学计算与系统仿真软件是科技竞争力的关键。李铁香告诉《中国科学报》，FAME是一个专业的仿真软件，以三维光子晶体的面心立方晶格和NVIDIA Tesla V100显卡为例，在五百万的离散矩阵规模下，FAME可以在30分钟左右完成能带结构的计算，仿真速度是其CPU版本的50倍以上，这是应用数学在工程领域中应用的典型案例。
当前，北太天元（Ubuntu版）v3.0成功上线FAME插件，将进一步促进FAME算法的推广应用，将助力我国光通讯、光子集成器件的设计及国防科技等核心领域迸发自主创新活力。
相关程序和数据发布：http://www.njcam.org.cn/fame/index.phtml
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