In this thesis, we have developed a parallel GPU accelerated code for carrying out transport calculations within the Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) framework using the Tight-Binding (TB) model. We also discuss the theoretical, modelling, and computational issues that arise in this implementation. We demonstrate that a heterogenous implementation with CPUs and GPUs is superior to single processor, multiple processor, and massively parallel CPU-only implementations. The GPU-Matlab Interface (GMI) developed in this work for use in our NEGF-TB code is not application specific and can be used by researchers in any field without previous knowledge of GPU programming or multi-threaded programming. We also demonstrate that GMI competes very well with commercial packages.Finally, we apply our heterogenous NEGF-TB code to the study of electronic transport properties of Si nanowires and nanobeams. We investigate the effect of several kinds of structural defects on the conductance of such devices and demonstrate that our method can handle systems of over 200,000 atoms in a reasonable time scale while using just 1-4 GPUs. / Dans cette thèse, nous présentons un logiciel qui effectue des calculs de transport quantique en utilisant conjointement la théorie des fonctions de Green hors équilibre (non equilibrium Green function, NEGF) et le modèle des liens étroits (tight-binding model, TB). Notre logiciel tire avantage du parallélisme inhérent aux algorithmes utilisés en plus d'être accéléré grâce à l'utilisation de processeurs graphiques (GPU). Nous abordons également les problèmes théoriques, géométriques et numériques qui se posent lors de l'implémentation du code NEGF-TB. Nous démontrons ensuite qu'une implémentation hétérogène utilisant des CPU et des GPU est supérieure aux implémentations à processeur unique, à celles à processeurs multiples, et même aux implémentations massivement parallèles n'utilisant que des CPU. Le GPU-Matlab Interface (GMI) présenté dans cette thèse fut développé pour des fins de calculs de transport quantique NEGF-TB. Néanmoins, les capacités de GMI ne se limitent pas à l'utilisation que nous en faisons ici et GMI peut être utilisé par des chercheurs de tous les domaines n'ayant pas de connaissances préalables de la programmation GPU ou de la programmation "multi-thread". Nous démontrons également que GMI compétitionne avantageusement avec des logiciels commerciaux similaires.Enfin, nous utilisons notre logiciel NEGF-TB pour étudier certaines propriétés de transport électronique de nanofils de Si et de Nanobeams. Nous examinons l'effet de plusieurs sortes de lacunes sur la conductance de ces structures et démontrons que notre méthode peut étudier des systèmes de plus de 200 000 atomes en un temps raisonnable en utilisant de un à quatre GPU sur un seul poste de travail.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114417 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Harb, Mohammed |
| Contributors | Hong Guo (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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