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論文

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

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

Computer Physics Communications, 235, p.9 - 15, 2019/02

 パーセンタイル:100(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

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。

論文

Electron heat diffusivity in radially-bounded ergodic region of toroidal plasma

菅野 龍太郎*; 沼波 政倫*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉; 高丸 尚教*

Nuclear Fusion, 58(1), p.016033_1 - 016033_7, 2018/01

 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

摂動磁場による磁気面の破壊を伴う乱れた磁場構造をもつトーラスプラズマ中の電子熱輸送について研究を行った。本論文では、摂動磁場に沿った粒子の平行方向軌道に起因する熱輸送が、捕捉粒子軌道の効果によって低減されることを明らかにした。

論文

Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures

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

Nuclear Fusion, 57(6), p.066036_1 - 066036_10, 2017/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:27.2(Physics, Fluids & Plasmas)

電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。

論文

Development of a drift-kinetic simulation code for estimating collisional transport affected by RMPs and radial electric field

菅野 龍太郎*; 沼波 政倫*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉; 高丸 尚教*

Contributions to Plasma Physics, 56(6-8), p.592 - 597, 2016/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.43(Physics, Fluids & Plasmas)

共鳴摂動磁場と径電場の効果を含む準定常状態の衝突性輸送を計算するための$$delta f$$法に基づくドリフト運動論コードを開発した。本論文では、コードの妥当性を複数のテスト問題によって確認した。その結果、径電場がない場合に磁力線のカオス的振る舞いによって強く影響を受ける電子輸送が、正の径電場によって低減されることを明らかにした。

論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

Improved strong scaling of a spectral/finite difference gyrokinetic code for multi-scale plasma turbulence

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

Parallel Computing, 49, p.1 - 12, 2015/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:42.44(Computer Science, Theory & Methods)

Optimization techniques of a plasma turbulence simulation code GKV for improved strong scaling are presented. This work is motivated by multi-scale plasma turbulence extending over multiple spatio-temporal scales of electrons and ions, whose simulations based on the gyrokinetic theory require huge calculations of five-dimensional (5D) computational fluid dynamics by means of spectral and finite difference methods. First, we present the multi-layer domain decomposition of the multi-dimensional and multi-species problem, and segmented MPI-process mapping on 3D torus interconnects, which fully utilizes the bi-section bandwidth for data transpose and reduces the conflicts of simultaneous point-to-point communications. These techniques reduce the inter-node communication cost drastically. Second, pipelined computation-communication overlaps are implemented by using the OpenMP/MPI hybrid parallelization, which effectively mask the communication cost. Thanks to the above optimizations, GKV achieves excellent strong scaling up to $$sim$$600 k cores with high effective parallelization rate $$sim$$99.99994% on K, which demonstrates its applicability and efficiency toward a million of cores. The optimized code realizes multi-scale plasma turbulence simulations covering electron and ion scales, and reveals cross-scale interactions of electron- and ion-scale turbulence.

論文

Cross-scale interactions between electron and ion scale turbulence in a tokamak plasma

前山 伸也*; 井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Physical Review Letters, 114(25), p.255002_1 - 255002_5, 2015/06

 被引用回数:37 パーセンタイル:5.92(Physics, Multidisciplinary)

実イオン・電子質量比かつ実$$beta$$値のマルチスケールジャイロ運動論的乱流シミュレーションをはじめて実現した。ここで、$$beta$$値はプラズマ圧力と磁気圧の比によって与えられ、微視的不安定性に対する電磁効果を特徴付ける。電子・イオンスケールのスケール間相互作用を明らかにするために両スケールにおける数値解析を行った。実質量比のスケール分離があっても、イオンスケール乱流が電子スケールストリーマを消去し、イオンだけでなく電子の熱輸送も支配する。また、イオンスケールモードが有限$$beta$$効果によって安定化される場合には乱流輸送への電子スケールダイナミクスの寄与は無視できなくなり、イオンスケール乱流輸送を増大させることがわかった。

論文

Exploring phase space turbulence in magnetic fusion plasmas

渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也; 仲田 資季; 洲鎌 英雄*; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*

Journal of Physics; Conference Series, 510, p.012045_1 - 012045_11, 2014/05

 パーセンタイル:100

配位空間と速度空間を含む位相空間において分布関数と電磁場の揺らぎを伴うプラズマ乱流が発展する。磁場核融合プラズマにおける分布関数の詳細構造を超並列計算機上で実行されるジャイロ運動論シミュレーションによって明らかにした。ドリフト波乱流のジャイロ運動論シミュレーションによって位相空間におけるエントロピー移送、ヘリカル磁場による帯状流の増大と輸送低減を示した。最先端の高性能数値計算をイオンスケールと電子スケールを含むマルチスケール乱流シミュレーション、および、ITER規模の大域的乱流輸送シミュレーションに適用した。

論文

Local gyrokinetic Vlasov simulations with realistic tokamak MHD equilibria

仲田 資季; 松山 顕之; 相羽 信行; 前山 伸也; 沼波 政倫*; 渡邉 智彦*

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.1403029_1 - 1403029_12, 2014/04

局所ジャイロ運動論乱流シミュレーションコードGKVへ、MHD平衡コードMEUDASから計算される実トカマクMHD平衡データが新たに組み込まれた。拡張されたコードは他の計算コードとのベンチマークテストにより実装の健全性検証が行われ、ITG不安定性の分散関係の良い一致が確認された。さらに、本コードを用いて、JT-60SAトカマク装置で期待されている2種類のプラズマ平衡[ITER-like平衡およびHighly-shaped平衡]に対するITG不安定性解析および残留ゾーナルフロー解析を実施した。計算結果の詳細な比較により、ITER-like平衡に比べHighly-shaped平衡の方が、相対的に低いITG不安定性成長率と高い残留ゾーナルフローレベルを示すことが明らかとなり、より高い安定性特性を示すことが確認された。

論文

Communication-overlap techniques for improved strong scaling of gyrokinetic Eulerian code beyond 100k cores on the K-computer

井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.

International Journal of High Performance Computing Applications, 28(1), p.73 - 86, 2014/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:21.5(Computer Science, Hardware & Architecture)

A plasma turbulence research based on five dimensional (5D) gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. In this work, the strong scaling and the parallel efficiency of a gyrokinetic toroidal 5D Eularian code GT5D is dramatically improved by novel developing communication overlap techniques. On the K-computer, excellent strong scaling is achieved beyond 100 k cores with keeping the sustained performance of $$sim$$ 10% ($$sim$$ 307 TFlops using 196,608 cores), and simulations for next generation large-scale fusion experiments are significantly accelerated.

論文

Computation-communication overlap techniques for parallel spectral calculations in gyrokinetic Vlasov simulations

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

Plasma and Fusion Research (Internet), 8, p.1403150_1 - 1403150_8, 2013/11

We extend our gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on peta-scale supercomputers. A key numerical technique is the parallel Fast Fourier Transform (FFT) required for parallel spectral calculations, where masking of the cost of inter-node transpose communications is essential to improve strong scaling. To mask communication costs, computation-communication overlap techniques are applied for FFTs and transpose with the help of the hybrid parallelization of message passing interface and open multi-processing. Integrated overlaps including whole spectral calculation procedures show better scaling than simple overlaps of FFTs and transpose. The masking of communication costs significantly improves strong scaling of the GKV code, and makes substantial speed-up toward multi-scale turbulence simulations.

論文

Turbulence spectra, transport, and $$E$$$$times$$$$B$$ flows in helical plasmas

渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 洲鎌 英雄*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉*; 石澤 明宏*; 前山 伸也; 田中 謙治*

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2012/10

Gyrokinetic simulation of ion temperature gradient turbulence and zonal flows for helical plasmas has been validated against the Large Helical Device experiments with high ion temperature, where a reduced modeling of ion heat transport is also considered. It is confirmed by the entropy transfer analysis that the turbulence spectrum elongated in the radial wavenumber space is associated with successive interactions with zonal flows. A novel multi-scale simulation for turbulence and zonal flows in poloidally-rotating helical plasmas has demonstrated strong zonal flow generation byturbulence, which implies that turbulent transport processes in non-axisymmetric systems are coupled to neoclassical transport through the macroscopic $$E$$$$times$$$$B$$ flows determined by the ambipolarty condition for neoclassical particle fluxes.

論文

Development of numerical techniques toward extreme scale fusion plasma turbulence simulations

井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.

Proceedings of 31st JSST Annual Conference; International Conference on Simulation Technology (JSST 2012) (USB Flash Drive), p.234 - 242, 2012/09

A plasma turbulence research based on 5D gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. Overlap of computations and communications is a promising approach to improve strong scaling, but it often fails on practical applications with conventional MPI libraries. In this work, this classical issue is clarified, and resolved by developing communication overlap techniques with mpi_test and communication threads, which work even on conventional MPI libraries and network hardwares. These techniques dramatically improve the parallel efficiency of a gyrokinetic Eularian code GT5D on K and Helios, which adopt dedicated and commodity networks.

論文

Plasma physics and radiation hydrodynamics in developing an extreme ultraviolet light source for lithography

西原 功修*; 砂原 淳*; 佐々木 明; 沼波 政倫*; 田沼 肇*; 藤岡 慎介*; 島田 義則*; 藤間 一美*; 古河 裕之*; 加藤 隆子*; et al.

Physics of Plasmas, 15(5), p.056708_1 - 056708_11, 2008/00

 被引用回数:93 パーセンタイル:1.88(Physics, Fluids & Plasmas)

Extreme ultraviolet (EUV) radiation from laser-produced plasma (LPP) has been thoroughly studied for application in mass-production of the next generation semiconductor devices. One critical issue for realization of a LPP-EUV light source for lithography is the conversion efficiency (CE) from incident laser power to EUV radiation of 13.5 nm wavelength (within 2% bandwidth). Another is solving a problem of damage caused by debris reaching a EUV collecting mirror. We here present an improved power balance model, which can be used for the optimization of laser and target conditions to obtain high CE. An integrated numerical simulation code has been developed for target design. The code is shown to agree well with experimental results not only for the CE but also for detailed EUV spectral structure. We propose a two pulse irradiation scheme for high CE and reduced ion debris using a carbon dioxides laser and a droplet or punch-out target.

口頭

Parallelization of a local gyrokinetic Vlasov simulation code for Peta-scale computing

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

no journal, , 

To address multi-scale turbulence including temporal and spatial scales of electrons and ions, we extend our gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on Peta-scale supercomputers. A key numerical technique is the parallel two-dimensional Fast Fourier Transform (FFT) required for evaluating the nonliear E$$times$$B advection term, where masking of the cost of inter-node transpose communications is essential to improve strong scaling. To mask communication costs, overlaps of computations and transpose communications is implemented with the help of the hybrid parallelization of message passing interface and open multiprocessing. Integrated overlaps including FFTs and calculations of the nonlinear E$$times$$B term show a better scaling than simple overlaps of transpose and FFTs. The masking of communication costs significantly improves strong scaling of the GKV code, and makes substantial speed-up toward multi-scale turbulence simulations.

口頭

An Implementation of parallel two-dimensional FFT in a local gyrokinetic Vlasov simulation code

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

no journal, , 

To address multi-scale turbulence simulations with high-resolutions in directions perpendicular to magnetic fields, it is necessary to parallelize perpendicular dynamics, which is solved by the spectral method with fast Fourier transform (FFT) algorithms in the GKV code. We have reported overlap methods of computations and communications for parallel 2D FFTs, and its impact on the computational costs. The results demonstrate that the integrated overlaps significantly improve strong scaling of the nonlinear E$$times$$B term calculation in the GKV code. The newly-developed overlap methods are applicable if one finds independent multi-dimensional FFTs, e. g., fluid simulations including some unknowns like density, velocity and temperature.

口頭

ジャイロ運動論的シミュレーションにおける並列FFTの通信マスク手法

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

no journal, , 

We have been developed the electromagnetic version of the gyrokinetic Vlasov simulation code GKV on the plasma simulator. The code has to solve both gyrokinetic ions and electrons, which leads expensive computational costs. Parallel two-dimensional FFT is recently implemented to speed up the GKV code. However, communication costs of data transpose become dominant and degrade the computational efficiency as the number of parallelization increases. To achieve more efficient computations, computation-communication overlap by means of the MPI/OpenMP hybrid parallelization is developed, which enables overlap of computations and blocking collective communications as well as non-blocking communications. We examine the effect of the overlap method on the computational cost and demonstrate the speed-up and improvement of the strong scaling of the GKV code.

口頭

京における局所的ジャイロ運動論的シミュレーションコードGKVの並列化

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

no journal, , 

ジャイロ運動論とそれに基づく数値シミュレーションは磁場閉じ込めプラズマにおける乱流輸送現象の理解に大きく貢献してきた。これまでの多くのモデルではイオンと電子のスケール分離を仮定してきたが、近年の計算機性能の向上を受けて、イオンと電子の両方を同時に扱うマルチスケール乱流計算が可能になりつつある。本講演では、局所的ジャイロ運動論的シミュレーションコードのマルチスケール乱流計算に向けた超並列計算手法の開発成果として、並列高速フーリエ変換の高効率化と京コンピュータにおけるGKVの最適化について発表する。3次元トーラスネットワークに特化した通信最適化と通信と演算の同時処理の実装により、10万コアを超えるストロングスケーリングが達成された。

口頭

Communication overlap techniques for improved strong scaling of gyrokinetic Eulerian code beyond 100k cores on the K-computer

井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.

no journal, , 

A plasma turbulence research based on 5D gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. Overlap of computations and communications is a promising approach to improve strong scaling, but it often fails on practical applications with conventional MPI libraries. In this work, this classical issue is clarified, and resolved by developing communication overlap techniques with mpi_test and communication threads. These techniques dramatically improve the parallel efficiency of a gyrokinetic Eularian code GT5D on the K-computer, and ITER-size simulations are significantly accelerated.

口頭

京におけるジャイロ運動論的シミュレーションコードGKVの超並列スペクトル計算

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

no journal, , 

To analyze multi-scale plasma turbulence in magnetically confined plasma, we have extended the gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on the K computer. A key numerical technique is the speed up of the parallel two-dimensional (2D) Fast Fourier Transform (FFT) algorithms. MPI/OpenMP hybrid parallelization with 4D domain decomposition is newly implemented to use a large number of cores. Perpendicular dynamics is solved by using the spectral method with 2D FFTs, where the data transpose often degrades scalability. The MPI process mapping is optimized for the 3D torus inter-node network on the K computer, so that the transpose communications are performed among the neighboring nodes located in a 3D box shape. Additionally, overlaps of FFTs and data transpose are implemented by using OpenMP directives. Thanks to the developed methods, GKV achieves almost linear speed-up beyond 100k cores with high parallel efficiency about 99.9998 per cent.

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