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磁约束聚变数值模拟

现代计算机技术及计算能力的迅速发展,使超大规模模拟在聚变研究中的支撑和推动作用越来越重要。数值模拟与实验诊断和理论研究的紧密结合,帮助人们进一步了解聚变等离子体的基本物理过程和解释最新托卡马克实验结果,指导托卡马克诊断手段的采用, 进而控制等离子体参数和优化托卡马克运行。

最近,实验、理论和模拟密切合作带来的新进展,进一步激发了对于磁约束聚变能开发的信心。“物理模拟”是直接从第一性原理方程(包括直接从单个粒子的运动方程)出发,通过大规模运算来预测等离子体的运动过程。其研究对象包括非线性磁流体力学、湍流、加热和电流驱动,以及边界物理等。这种从物理第一性原理出发的大规模模拟可以直接研究那些目前通常实验和理论手段无法达到的参数区间,有预见性的模拟研究手段能够大大优化 ITER 的运行条件、提高其运行参数,协助下一代磁约束聚变工程堆 DEMO 的物理设计。因此,大规模数值模拟已经同实验和理论一并成为国际磁约束聚变研究的重点发展方向。

磁约束聚变大规模数值模拟的重要软件“回旋环形等离子体代码”(Gyrokinetic Toroidal Code, GTC)是磁约束聚变领域的重要软件,主要用于研究磁约束溶解等离子体湍流传输问题。GTC是能够充分利用超级计算机整机性能的少数计算机模拟程序之一,被选为美国能源部采购超级计算机及评估超级计算机性能的基准程序。基于科技部ITER-CN专项“磁约束聚变大规模数值模拟与理论分析”,国家超级计算天津中心与北京大学、中国科学技术大学、浙江大学等科研院所共同合作开发。GTC在“天河一号”上实现了数万核级的高度并行化,模拟的电子数达到三百多亿,多项测试性能均超过了美国橡树岭国家实验室的超级计算机“美洲豹”(Jaguar)。目前中心正协助优化原有代码及开发GTC的GPU版本程序。通过strong scaling和weak scaling下的多组测试表明,GPU版本的GTC程序具有良好的可扩展性,与原有程序相比也有2~3倍的加速。

图1 基于TH-1A的GTC weak scaling性能测试

♦图1所以,表示GTC在TH-1A上的weak scaling下的性能测试。节点数从64到3072,随着节点数的增加,每秒钟模拟的电子数基本是线性增加的。每秒最大模拟的离子数达到三百多亿。通过该图可以得出GTC程序在TH-A上有很好的可扩展性;

图2 基于TH-1A的GTC weak scaling加速比

♦图2表示GTC在weak scaling下的加速比随节点数变化的情况。可以看出,在TH-1A上使用GPU进行的GTC程序的加速,在数万核级的大规模并行上也能取得1.5~2倍的加速。该实验进一步证实了TH-1A上使用GPU进行大规模数值计算的优势。

ITER计划是我国迄今为止第一个以完全平等、独立成员身份参加的最大的大科学工程国际合作项目,其目的是实现受控热核聚变反应,集成验证和平利用聚变能的科学技术可行性,为实现聚变能源商业化应用奠定科学和技术基础。

后续,国家超级计算天津中心将协同其余科研单位,对GTC程序的离子模拟模块进行优化改善工作,进一步提高其运算速度和计算效率。

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