МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, КОМПЛЕКСОВ И КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

GPU-ускоренная обработка изображений HRTEM для количественной оценки атомной структурной упорядоченности в аморфных сплавах

Д. С. Дилла, Е. В. Пустовалов, И. Л. Артемьева

Дальневосточный федеральный университет

Аннотация: Исследование структурных особенностей аморфных сплавов на атомном уровне представляет собой ключевую задачу для понимания их уникальных механических, термических и магнитных свойств. Однако отсутствие дальнего порядка в таких материалах затрудняет их анализ с использованием традиционных методов. В настоящей работе описано программное обеспечение с ускорением на графических процессорах (GPU), предназначенное для высокопроизводительной обработки и количественного анализа изображений, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), с целью выявления скрытых проявлений атомной упорядоченности в аморфных сплавах. В программном обеспечении предполагается наличие параллельной предварительной обработки изображений, локализация атомных позиций, кластеризация изображений по радиальному критерию, а также применение метрик, основанных на теории графов и энтропийных характеристиках, для количественной оценки ближнего и среднего порядка. Модульная архитектура программного комплекса обеспечивает эффективное выполнение вычислений на GPU с использованием технологий CUDA и CuPy, а также оптимизированных стратегий управления памятью, что позволяет достичь ускорения обработки до 220 раз по сравнению с центральным процессором (CPU). Валидация методики проведена как на синтетических данных (сплавы FeB, CoNiFeSiB), так и на экспериментальных HRTEM-изображениях аморфных сплавов (CoP, NiW, сплав на основе железа марки 71КНСР). Полученные результаты демонстрируют выраженную корреляцию между размерами атомных кластеров, распределением валентных углов и энтропийными параметрами, с одной стороны, и макроскопическими характеристиками материалов – такими как твердость и термическая стабильность – с другой. Установлено, что увеличение размеров кластеров и преобладание тупых валентных углов (близких к $180^{\circ}$) свидетельствуют о повышенной локальной структурной упорядоченности, тогда как энтропийные меры обеспечивают высокую чувствительность при различении степени структурного беспорядка.

Ключевые слова: обработка изображений HRTEM, GPU-вычисления, аморфные сплавы, атомная упорядоченность, кластеризация, энтропийные метрики, структурный анализ.

УДК: 519.6

DOI: 10.33693/2313-223X-2025-12-4-105-115