Acceleration of fusion plasma turbulence simulations using the mixed-precision communication-avoiding Krylov method

混合精度省通信クリロフ法を用いた核融合プラズマ乱流シミュレーションの高速化

井戸村 泰宏   ; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

Idomura, Yasuhiro; Ina, Takuya*; Ali, Y.*; Imamura, Toshiyuki*

5次元ジャイロ運動論モデルに基づく次世代核融合実験炉ITERのマルチスケールfull-シミュレーションは核融合科学において最も計算コストが大きい問題の一つである。本研究では、新しい混合精度省通信クリロフ法を用いてジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dを高速化した。演算加速環境における大域的集団通信のボトルネックを省通信クリロフ法によって解決した。これに加えて、A64FXにおいて新たにサポートされたFP16SIMD演算を用いて設計された新しいFP16前処理により、反復(袖通信)の回数と計算コストの両方を削減した。富岳とSummitにおける1,440CPU/GPUを用いた1,000億格子のITER規模シミュレーションに対して、提案手法の処理性能は従来の非省通信クリロフ法に比べてそれぞれ2.8倍, 1.9倍高速化され、5,760CPU/GPUまで良好な強スケーリングを示した。

The multi-scale full- simulation of the next generation experimental fusion reactor ITER based on a five dimensional (5D) gyrokinetic model is one of the most computationally demanding problems in fusion science. In this work, a Gyrokinetic Toroidal 5D Eulerian code (GT5D) is accelerated by a new mixed-precision communication-avoiding (CA) Krylov method. The bottleneck of global collective communication on accelerated computing platforms is resolved using a CA Krylov method. In addition, a new FP16 preconditioner, which is designed using the new support for FP16 SIMD operations on A64FX, reduces both the number of iterations (halo data communication) and the computational cost. The performance of the proposed method for ITER size simulations with 0.1 trillion grids on 1,440 CPUs/GPUs on Fugaku and Summit shows 2.8x and 1.9x speedups respectively from the conventional non-CA Krylov method, and excellent strong scaling is obtained up to 5,760 CPUs/GPUs.