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論文

機械学習による細分化格子に基づく二次元定常流予測

朝比 祐一; 畑山 そら*; 下川辺 隆史*; 小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 井戸村 泰宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 26, 4 Pages, 2021/05

多重解像度の定常流流れ場を符合付き距離関数から予測するConvolutional Neural networkモデルを開発した。高解像度の画像生成を可能とするネットワークPix2PixHDをパッチ化された高解像度データに適用することで、通常のPix2PixHDよりメモリ使用量を削減しつつ、高解像度流れ場の予測が可能であることを示した。

論文

データ駆動アプローチを用いた雪崩的乱流輸送現象の解析

朝比 祐一; 藤井 恵介*

プラズマ・核融合学会誌, 97(2), p.86 - 92, 2021/02

本研究では、5次元ジャイロ運動論的シミュレーションによる大規模データを、データ駆動科学的手法により解析した。まず、少数の波が支配的なコヒーレントな状態と様々な波が入り乱れる乱雑な状態の判別を、特異値分解を用いて行った。これにより突発的に起こる熱輸送現象のあとプラズマは乱雑な状態になること、乱雑さはその後自発的に減少すること、次の突発現象はそのような自己組織化の後に起きることが明らかになった。この過程はLandau減衰をはじめとする速度空間構造の変化と密接に変化していると考えられる。しかし、従来手法では5次元位相空間構造の時系列解析は不可能であった。そこでさらに主成分分析による位相空間構造データの圧縮技術を開発した。圧縮されたデータを利用しても突発的輸送が表現できることや、どのような位相空間構造が突発的輸送と関連しているかを論じる。

論文

Dynamics of enhanced neoclassical particle transport of tracer impurity ions in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; Obrejan, K.*; 朝比 祐一; 本多 充*

Physics of Plasmas, 28(1), p.012501_1 - 012501_11, 2021/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:92.52(Physics, Fluids & Plasmas)

運動論的電子,バルクイオン,低Zおよび中Zのトレーサ不純物を含む大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流におけるトレーサ不純物輸送を調べた。この結果、乱流粒子輸送に加えて、乱流輸送と新古典輸送の相乗効果による拡張新古典輸送がトレーサ不純物輸送に大きく寄与することがわかった。ITGモードのバースト的励起が電子とバルクイオンの非両極性乱流粒子束を生成し、これが両極性条件に従う径電場の速い成長をもたらす。これに伴う$$Etimes B$$流の発散が磁気ドリフトによる輸送に関連する上下非対称な密度揺動を圧縮する。この密度揺動の振幅は$$Etimes B$$圧縮効果と磁力線方向運動による帰還電流の競合によって決まるため、拡張新古典輸送はイオン質量に依存する。この機構は温度には働かず、粒子輸送のみを選択的に増大する。

論文

ブロック型適合細分化格子でのPoisson解法のGPU・CPU・ARMプロセッサに対する性能測定

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 朝比 祐一; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

第34回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2020/12

本研究では、二相流体解析コードJUPITERにおいて、圧力ポアソン方程式に対するマルチグリッド前提共役勾配(MG-CG)ソルバーを開発した。プログラムの開発言語として、C++およびCUDAを用いることで、様々なコンピュータプラットフォームに対応した。CG解法の主な計算カーネルは、GPU, CPU、およびARM上において、ルーフライン性能の0.4$$sim$$0.75と妥当な性能を達成した。一方で、SpMVカーネルでは、ARM上において、大幅な性能劣化が確認された。その原因を調査したところ、SpMVカーネル内にて関数呼び出しを行うことで、コンパイラの最適化が働かないことが確認された。

論文

Performance portable implementation of a kinetic plasma simulation mini-app with a higher level abstraction and directives

朝比 祐一; Latu, G.*; Bigot, J.*; Grandgirard, V.*

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.218 - 224, 2020/10

エクサスケール計算機時代には、CPUやGPUの種類を問わずに高性能を発揮する性能可搬性が重要となることが予想される。発表者は、どのような技術を活用すれば運動論的モデルを採用するプラズマ乱流コードの高可搬性実装が可能となるかを調べた。運動論的コードの例として仏国CEAで開発されたGYSELAコードに着目し、当該コードを特徴付ける高次元性(4次元以上)とSemi-Lagrangianスキームといった特徴を抽出したミニアプリケーションを作成した。発表者はミニアプリケーションをOpenACC, OpenMP4.5およびKokkosを用いて並列化し、それぞれの手法の利点,欠点を調査した。OpenACCおよびOpenMP4.5は指示行を挿入することで、Kokkosは高レベルな抽象化を行うことで性能可搬実装を実現する。発表では、生産性,可読性,性能可搬性の観点からそれぞれの手法の利点,欠点を論じる。

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:0.01(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:3 パーセンタイル:28.55(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

Turbulent generation of poloidal asymmetries of the electric potential in a tokamak

Donnel, P.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; 朝比 祐一; Wilczynski, F.*; Caschera, E.*; Dif-Pradalier, G.*; Ghendrih, P.*; Gillot, C.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 61(1), p.014003_1 - 014003_11, 2019/01

 被引用回数:7 パーセンタイル:76.02(Physics, Fluids & Plasmas)

$$E$$$$times$$$$B$$流のポロイダル非対称性は新古典輸送に影響することが知られている。従来の新古典理論によると、静電ポテンシャルのポロイダル非対称性の大きさは非常に小さいと予測される。本研究では乱流による軸対称ポテンシャル生成の枠組みを提示する。帯状流,測地的音響モード、および、対流セルが単一モデルで記述される。これは準中性条件と連立したジャイロ運動論方程式を解くことによって得られる。この計算は乱流によるある特定の駆動が与えられた場合の流れの周波数スペクトルの予測計算結果をもたらす。また、中間的な周波数では主要な機構が帯状流による圧縮となるのに対し、低周波数では乱流レイノルズ応力のバルーニング構造が主要な駆動機構となることも示された。

論文

Application of a communication-avoiding generalized minimal residual method to a gyrokinetic five dimensional Eulerian code on many core platforms

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 真弓 明恵; 山田 進; 松本 和也*; 朝比 祐一*; 今村 俊幸*

Proceedings of 8th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2017), p.7_1 - 7_8, 2017/11

ジャイロ運動論的5次元オイラーコードGT5Dに省通信一般化最小残差(CA-GMRES)法を適用し、一般化共役残差(GCR)法を用いたオリジナルコードとの性能比較をJAEA ICEX(Haswell)、Plasma Simulator(FX100)、Oakforest-PACS(KNL)において実施した。CA-GMRES法はGCR法に比べて約3.8倍の演算密度となることから、メモリとネットワークの帯域が制限された将来のエクサスケールアーキテクチャに適合する。性能評価の結果、GCR法に比べて計算カーネルは1.47$$sim$$2.39倍加速され、1,280ノード処理におけるデータ縮約通信は全体コストの5$$sim$$13%から約1%に削減された。

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:3 パーセンタイル:24.23(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:51.34(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

Computational challenges towards Exa-scale fusion plasma turbulence simulations

井戸村 泰宏; 朝比 祐一; 伊奈 拓也; 松岡 清吉

Proceedings of 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2016), p.3106 - 3107, 2016/08

核融合プラズマにおける乱流輸送はITERにおける重要課題の一つである。この課題を5次元ジャイロ運動論モデルで研究するために新たな計算技術を開発し、ジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dの強スケーリングを京コンピュータ上で約60万コアまで向上した。この計算技術は多次元/多階層領域分割、通信と計算のオーバーラップ、計算カーネルのマルチコアCPUへの最適化から構成される。この計算性能によって乱流輸送の装置サイズ依存性等のITERの重要課題の研究が可能になった。次世代の核燃焼プラズマ乱流シミュレーションに向けて、運動論的電子や多種イオンを含む物理モデルの拡張を進め、さらに最新のメニーコア環境で計算カーネルを最適化した。

論文

Erosion of $$N$$=20 shell in $$^{33}$$Al investigated through the ground-state electric quadrupole moment

島田 健司*; 上野 秀樹*; Neyens, G.*; 旭 耕一郎*; Balabanski, D. L.*; Daugas, J. M.*; Depuydt, M.*; De Rydt, M.*; Gaudefroy, L.*; Gr$'e$vy, S.*; et al.

Physics Letters B, 714(2-5), p.246 - 250, 2012/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:44.73(Astronomy & Astrophysics)

中性子過剰核における魔法数消滅の研究を目的として、フランスGANIL研究所にて、ベータNMR法を用いて中性子過剰核$$^{33}$$Alの電気的四重極モーメント($$Q$$モーメント)の測定を行った。得られた$$Q$$モーメントの値の絶対値は、133(18)$$e$$mbとなった。この実験値を殻模型及び粒子・振動結合模型の二つの理論模型の値と比較した。その結果、中性子数20の閉殻構造消失を考慮に入れていない従来の殻模型計算では、$$Q$$モーメントを過小評価する一方、魔法数消滅を考慮に入れた大規模殻模型計算では実験値を正しく再現した。同様の値が、中性子数20の閉殻構造消失を考慮に入れた粒子・振動結合模型でも得られた。その結果、中性子20の閉殻構造は$$^{33}$$Al核でも相当程度消失していることが判明した。

論文

Precision measurement of the electric quadrupole moment of $$^{31}$$Al and determination of the effective proton charge in the sd-shell

De Rydt, M.*; Neyens, G.*; 旭 耕一郎*; Balabanski, D. L.*; Daugas, J. M.*; Depuydt, M.*; Gaudefroy, L.*; Gr$'e$vy, S.*; 挾間 優佳*; 市川 雄一*; et al.

Physics Letters B, 678(4), p.344 - 349, 2009/07

 被引用回数:14 パーセンタイル:67.54(Astronomy & Astrophysics)

フランスGANIL研究所にて中性子過剰核$$^{31}$$Alを$$^{36}$$Sの核破砕反応により生成し、その基底状態の電気的四重極モーメントをベータNMR法にて初めて測定した。実験で得られたモーメントを機構にてなされたモンテカルロ殻模型計算で求められた値と比較した。実験値で得られた134.0(16)mbに対し、標準的な有効電荷を用いた計算値は155mbとおおむね良い値を与えているものの多少の相違があることがわかった。これまでの磁気モーメントの測定値から、この原子核では魔法数20の殻ギャップを超える励起の確率は小さく、理論計算は良い波動関数を与えていると考えられる。したがって、この相違は有効電荷に帰せられると考えられ、標準的な値よりもやや小さな有効電荷を用いることにより実験値をよく再現することがわかった。この小さな有効電荷は不安定核特有の中性子の緩い束縛と関係すると考えられる。

口頭

The Influence of trapped electron mode driven zonal flow on electron temperature gradient driven turbulence

朝比 祐一; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 筒井 広明*; 飯尾 俊二*

no journal, , 

電子温度勾配(ETG)モードと捕捉電子モード(TEM)が共存する系における乱流輸送の特性をジャイロ運動論的シミュレーションによって調べた。これにより、ETG乱流がTEM駆動のゾーナルフローによって抑制されることを明らかにした。さらに、乱流抑制のメカニズムを調べるためにエントロピー移送の観点から解析を行った。これにより、捕捉電子モードからゾーナルフローへのエントロピー移送を確認した。同様に、定常状態において低い径方向波数のETGモードから高い径方向は数のETGモードへのゾーナルフローを介したエントロピーの移送を確認した。前者は、捕捉電子モードによってゾーナルフローが駆動されていることを示し、後者はTEM駆動のゾーナルフローによってETG乱流が抑制されていることを示す。

口頭

Optimization of fusion plasma codes

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

no journal, , 

テラフロップス級のアーキテクチャにおいて、核融合プラズマコードのGYSELAとGT5Dの最適化を行った。対象とし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カーネルは差分法を用いており、複雑なメモリ読み込みの効率化が必要である。GT5DカーネルのGPU上での最適化を通じ、GPU上で有効なメモリアクセスの最適化手法を示す。

口頭

GPUにおける核融合プラズマ乱流コードの最適化

朝比 祐一; 井戸村 泰宏; 伊奈 拓也

no journal, , 

高温の核融合プラズマの特徴は無衝突性であり、速度空間に構造を持つ。そのため、核融合プラズマの閉じ込め性能劣化に繋がるプラズマ乱流の解析においては、通常の3次元流体モデルではなく、5次元の運動論的モデルが用いられる。本講演では、差分法に基づく核融合プラズマ乱流コードGT5DのGPU化を通じ、高次元のステンシル計算における最適化手法について論じる。

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

テラフロップス級メニーコアアーキテクチャにおけるステンシル計算の最適化手法の開発

伊奈 拓也; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏

no journal, , 

核融合分野で研究されているプラズマ乱流シミュレーションには多大な計算資源が必要となる。特に、国際熱核融合実験炉ITER規模のシミュレーションを実行するためには将来のエクサスケールマシンが必要不可欠である。エクサスケールマシンのアーキテクチャは未定であるが、現存するアーキテクチャがベースになると考えられる。本研究の目的はテラフロップス級の演算性能を持つアーキテクチャであるXeon phi, GPU, FX100に対するステンシル計算の最適化手法を確立することである。Xeon phiに対しては多重ループの一重化およびスレッド間の動的スケジューリング。GPUに対してはwarp divergenceの回避およびレジスタの再利用。FX100に対してはチャンクサイズの調整によるL2キャッシュの再利用とL1キャッシュに対するソフトウェアプリフェチの促進。Xeon phi, GPU, FX100に対して最適化を施すことで性能が向上した。Xeon phi, GPU, FX100についてステンシル計算の効果的な最適化手法を確認した。

口頭

電子熱輸送および粒子輸送における非捕捉電子の影響

朝比 祐一; 井戸村 泰宏; 前山 伸也*; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*

no journal, , 

従来の局所的乱流輸送シミュレーションにおいて、イオン温度勾配乱流などイオンスケールの乱流を扱う場合、電子は断熱的に振る舞うと仮定されてきた。特に、非捕捉電子は磁力線平行方向への素早い運動から断熱的に応答するとされる。しかしながら、近年の研究により、低次のモード共鳴面近傍においては非捕捉電子に対しても非断熱的応答つまり運動論的効果が重要となり、電子熱輸送、粒子輸送への寄与が無視できないことが指摘されている。発表では、複数の運動論的電子モデルを採用した局所的乱流輸送シミュレーションの比較を通じて、非捕捉電子の熱輸送および粒子輸送への影響について論じる。

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