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論文

Overlapping communications in gyrokinetic codes on accelerator-based platforms

朝比 祐一*; Latu, G.*; Bigot, J.*; 前山 伸也*; Grandgirard, V.*; 井戸村 泰宏

Concurrency and Computation; Practice and Experience, 32(5), p.e5551_1 - e5551_21, 2020/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Computer Science, Software Engineering)

2つのジャイロ運動論コード、GYSELA, GKVを最新のアクセラレータ環境、Xeon Phi KNL, Tesla P100 GPUに移植した。一台のSkylakeプロセッサーに比べ、KNLにおけるGYSELAの逐次計算カーネルは1.3x、P100 GPUにおけるGKVの逐次計算カーネルは7.4x高速化された。GYSELAとGKVのスケーリングテストをそれぞれ16-512 KNLおよび32-256 P100 GPUで実施し、GYSELAのセミラグランジアンカーネルおよびGKVの畳み込みカーネルにおけるデータ転置通信が主要なボトルネックとなることがわかった。この通信コストを削減するために、これらのコードにパイプライン法およびタスク並列法に基づく通信オーバーラップを実装した。

論文

Synergy of turbulent and neoclassical transport through poloidal convective cells

朝比 祐一*; Grandgirard, V.*; Sarazin, Y.*; Donnel, P.*; Garbet, X.*; 井戸村 泰宏; Dif-Pradalier, G.*; Latu, G.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 61(6), p.065015_1 - 065015_15, 2019/05

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

Full-fジャイロ運動論コードGYSELAを用いて輸送過程へのポロイダル対流セルの影響を調べた。この目的のために、対流セルのフィルタを適用し、フィルタ有無のシミュレーション結果を比較した。フィルタを適用することで磁気ドリフトに駆動されるエネルギー束が半減することがわかった。対流セルの周波数スペクトは乱流レイノルズ応力テンソルの周波数と対応し、対流セルが乱流によって駆動されることを示した。この対流セルの効果は乱流と新古典のダイナミクスの相互作用と考えられる。

論文

Benchmarking of flux-driven full-F gyrokinetic simulations

朝比 祐一*; Grandgirard, V.*; 井戸村 泰宏; Garbet, X.*; Latu, G.*; Sarazin, Y.*; Dif-Pradalier, G.*; Donnel, P.*; Ehrlacher, C.*

Physics of Plasmas, 24(10), p.102515_1 - 102515_17, 2017/10

AA2017-0418.pdf:4.26MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.16(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクプラズマにおける熱流駆動型のイオン温度勾配乱流を計算するために2つの大域的full-Fジャイロ運動論コードのベンチマークを行う。この目的のために、full-Fジャイロ運動論方程式を現実的な熱流束固定条件で計算するセミ・ラグランジアンコードGYSELA、および、オイラーコードGT5Dを採用する。時空間特性に注目して雪崩的な輸送現象を評価した。自己組織化臨界現象(SOC)的な振舞いを議論するために統計解析を実施し、両方のコードで高周波側で$$1/f$$スペクトルから$$1/f^3$$スペクトルへの遷移を確認した。このベンチマークに基づき、SOC的な振舞いは数値計算法に依存しないロバーストな特徴であることを検証した。

論文

Optimization of fusion kernels on accelerators with indirect or strided memory access patterns

朝比 祐一*; Latu, G.*; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; Grandgirard, V.*; Garbet, X.*

IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 28(7), p.1974 - 1988, 2017/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:39.58(Computer Science, Theory & Methods)

セミ・ラグランジュ法における間接メモリアクセス、有限差分法におけるストライドメモリアクセスといった複雑なメモリアクセスパターンを有する核融合プラズマ乱流コードの高次元ステンシル計算をGPGPUやXeon Phiプロセッサ等の演算加速器上で最適化した。どちらのデバイスでも、Array of Structure of Array (AOSOA)データレイアウトが連続的なメモリアクセスに有効である。Xeon Phiでは時空間データ局所性の向上によるローカルキャッシュの効率的利用が必要不可欠である。GPGPUではテクスチャメモリの利用がセミ・ラグランジュ法の間接メモリアクセス性能を向上する。これらの最適化により、アクセラレータ用核融合カーネルはCPU用カーネルに比べてSandy Bridge (CPU)用最適化コードに比べて1.4x - 8.1x高速化した。

論文

Gyrokinetic simulations of turbulent transport; Size scaling and chaotic behaviour

Villard, L.*; Bottino, A.*; Brunner, S.*; Casati, A.*; Chowdhury, J.*; Dannert, T.*; Ganesh, R.*; Garbet, X.*; G$"o$rler, T.*; Grandgirard, V.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 52(12), p.124038_1 - 124038_18, 2010/11

 被引用回数:16 パーセンタイル:39.57(Physics, Fluids & Plasmas)

This paper presents some of the main recent advances in gyrokinetic theory and computing of turbulence. A past controversy regarding the finite size (finite $$rho^*$$) effect in ITG turbulence has now been resolved. Now, both Eulerian and Lagrangian global codes are shown to agree and to converge to the flux-tube result in the $$rho^*$$ $$rightarrow$$ 0 limit. It is found, however, that an appropriate treatment of geometrical terms is necessary. Turbulent processes are characterized by a chaotic behavior, often accompanied by bursts and avalanches. Performing ensemble averages of statistically independent simulations, starting from different initial conditions, is presented as a way to assess the intrinsic variability of turbulent fluxes and obtain reliable estimates of the standard deviation.

口頭

Optimization of stencil-based fusion kernels on Tera-flops many-core architectures

朝比 祐一; Latu, G.*; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; Grandgirard, V.*; Garbet, X.*

no journal, , 

テラフロップス級のメニーコアアーキテクチャにおいて、核融合プラズマコード、GYSELA、GT5Dのカーネル最適化を行った。本研究で用いたアーキテクチャは、アクセラレータ(Xeon Phi、GPU)と最新型のマルチコアCPU (FX100)である。GYSELAカーネルは、セミラグランジアンスキームを用いており、高い演算密度を有する。GYSELAカーネルのXeon Phi上での最適化を通じ、Xeon Phiにおいて有効なコードのベクトル化の重要性を示す。一方、GT5Dカーネルは差分法に用いており、複雑なメモリ読み込みの効率化が欠かせない。GT5DカーネルのGPU上での最適化を通じ、GPU上で有効なshared memoryを用いたメモリアクセスの効率化手法を示す。

口頭

Full-fジャイロ運動論的シミュレーションのコード間ベンチマーク

朝比 祐一; 井戸村 泰宏; 伊奈 拓也; Garbet, X.*; Grandgirard, V.*; Latu, G.*

no journal, , 

Delta-fジャイロ運動論的シミュレーションと呼ばれる従来のプラズマ乱流シミュレーションでは、背景のプラズマと揺動のプラズマのスケール分離が仮定され揺動のプラズマの時間発展のみが計算された。これに対し、Full-fジャイロ運動論的シミュレーションでは、背景のプラズマと揺動のプラズマを第一原理的に同時に発展させるため、従来扱えなかった自己無頓着なプラズマ分布と乱流の相互作用という物理を扱うことができる。Delta-fジャイロ運動論的シミュレーションコードは多数存在し、コード間ベンチマークは盛んに行われてきた。それによって計算自体のロバスト性が確保されているが、Full-fシミュレーションにおいては、物理的複雑さゆえ、系統的なベンチマークは行われていない。発表では、機構および外部機関において独立に開発されたFull-fジャイロ運動論的シミュレーションコード間のベンチマークの進展状況および課題について論じる。

口頭

Benchmarking of global full-f gyrokinetic codes

朝比 祐一*; Garbet, X.*; 井戸村 泰宏; Grandgirard, V.*; Latu, G.*; Sarazin, Y.*; Dif-Pradalier, G.*; Donnel, P.*; Ehrlacher, C.*; Passeron, Ch.*

no journal, , 

CEAおよび原子力機構で開発した2つの大域的full-fジャイロ運動論コードのベンチマークを実施した。イオン温度勾配駆動モードの線形安定性、帯状流の線形減衰、衝突性輸送といった線形過程については2つのコード間の定量的一致を確認した。非線形乱流シミュレーションの予備的なベンチマークでは境界条件や熱源モデル等の計算モデルの違いに起因する計算結果の違いを確認し、今後の定量的な非線形ベンチマークに向けた課題を明らかにした。

口頭

Acceleration of stencil-based fusion kernels

朝比 祐一*; Latu, G.*; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; Grandgirard, V.*; Garbet, X.*

no journal, , 

セミ・ラグランジュ法, 有限差分法といったステンシル計算に基づく核融合プラズマ乱流コードの計算カーネルをGPUGPU, Xeon Phi, FX100といった最新メニーコアプロセッサ上で最適化し、1.4x - 8.1xの処理性能向上を達成した。数値計算法によって異なるメモリアクセスパターンと各ハードウェアのメモリ-キャッシュ機構の親和性を確認し、各環境で異なる最適化技術を開発した。XeonPhiではスレッド間のロードバランスを向上し、ローカルキャッシュ有効利用のための最適化技術を開発した。GPGPUではテクスチャメモリを活用した最適化技術やレジスタを再利用する実装を開発した。一方、FX100では従来のCPU向け最適化をそのまま利用できることがわかった。

口頭

BMTFFの研究成果

朝比 祐一*; Grandgirard, V.*; 井戸村 泰宏; Sarazin, Y.*; Latu, G.*; Garbet, X.*

no journal, , 

本講演では、平成27年度-28年度に実施したBMTFFプロジェクトの研究成果を概説する。本プロジェクトでは、full-fジャイロ運動論モデルのしっかりした基盤を確立するために、EUと日本の2つの主要full-fジャイロ運動論コード、GYSELAおよびGT5Dのベンチマークを実施した。平成27年度には全ての数値的実装の検証を行い、境界条件が同じになるようにコードを修正した。この修正により、衝突性輸送、線形帯状流減衰、イオン温度勾配駆動(ITG)モードの線形安定性のベンチマークに成功した。平成28年度は両方のコードに同じソースとシンクのモデルを実装し、非線形乱流計算のベンチマークを実施した。熱源のない減衰ITG乱流計算は同様の分布緩和過程を示し、非線形臨界温度勾配が互いに定量的に一致することを確認した。一方、熱源を含む駆動ITG乱流計算は雪崩的輸送の間欠的バーストを示し、同様の1/fタイプの周波数スペクトルを確認した。

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