Implementation of a gyrokinetic collision operator with an implicit time integration scheme and its computational performance

陰的時間積分スキームによるジャイロ運動論的衝突演算子の実装とその計算性能

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏   ; 仲田 資季*; 沼波 政倫*

Maeyama, Shinya*; Watanabe, Tomohiko*; Idomura, Yasuhiro; Nakata, Motoki*; Nunami, Masanori*

陰的時間積分スキームを用いてSugama衝突演算子をジャイロ運動論的ブラゾフコードGKVに実装した。新手法はオペレータスプリッティング、陰的時間積分、クリロフ部分空間反復法ソルバを用いており、線形化衝突演算子の詳細に依存しない汎用的な手法となっている。数値計算テストでは衝突項が制限する時間ステップ幅を超えて安定な計算が実証できた。データ転置を用いることで、反復計算中に通信が発生しない分散メモリシステムにおける効率的実装を実現した。これにより、本手法は計算効率向上と計算コスト削減を同時に達成し、アプリケーションの全体性能を大きく加速する。

We have implemented the Sugama collision operator in the gyrokinetic Vlasov simulation code, GKV, with an implicit time-integration scheme. The new method is versatile and independent of the details of the linearized collision operator, by means of an operator splitting, an implicit time integrator, and an iterative Krylov subspace solver. Numerical tests demonstrate stable computation over the time step size restricted by the collision term. An efficient implementation for parallel computation on distributed memory systems is realized by using the data transpose communication, which makes the iterative solver free from inter-node communications during iteration. Consequently, the present approach achieves enhancement of computational efficiency and reduction of computational time to solution simultaneously, and significantly accelerates the total performance of the application.