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論文

C++ parallel algorithmによる性能可搬性評価

朝比 祐一; Padioleau, T.*; Latu, G.*; Bigot, J.*; Grandgirard, V.*; Obrejan, K.*

第36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), 8 Pages, 2022/12

本論文では、運動論的プラズマシミュレーションコードを例としてC++ parallel algorithm (stdpar)による性能可搬実装について論じる。言語標準の並列アルゴリズムstdparと抽象的高次元配列mdspanにより、可読性および生産性を損なわずに性能可搬な実装が可能であることを示す。抽象化により性能可搬性を実現するKokkosや、指示行によって性能可搬性を実現するOpenMPとの比較により、stdparの性能,可搬性,生産性などを論じる。Intel Icelake, NVIDIA V100およびA100 GPUにおいて、stdpar版のアプリケーションの性能はKokkos版に対し$$pm$$20%の範囲であった。将来的にAMDやIntel GPUにおいて利用可能になるという前提であれば、stdparはエクサスパコンにおいて有力な高生産かつ性能可搬な実装手法となり得る。

論文

Performance portable Vlasov code with C++ parallel algorithm

朝比 祐一; Padioleau, T.*; Latu, G.*; Bigot, J.*; Grandgirard, V.*; Obrejan, K.*

Proceedings of 2022 International Workshop on Performance, Portability, and Productivity in HPC (P3HPC) (Internet), p.68 - 80, 2022/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0

本論文では、C++ parallel algorithmによる性能可搬な運動論的プラズマシミュレーションコードの実装について論じる。言語標準の並列アルゴリズムstdparと抽象的高次元配列mdspanにより、可読性および生産性を損なわずに性能可搬な実装が可能であることを示す。Intel Icelake、NVIDIA V100およびA100 GPUにおいて、アプリケーションの性能はKokkos版に対し$$pm$$ 20%の範囲であった。将来的にAMDやIntel GPUにおいて利用可能になるという前提であれば、C++ parallel algorithmはエクサスパコンにおいて有力な高生産かつ性能可搬な実装手法となり得る。

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:6 パーセンタイル:61.49(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。

口頭

Numerical study of impurity transport using the code GT5D

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

ダイバータやプラズマ対向機器へのタングステンの利用は高Zのタングステン不純物による核融合プラズマの劣化をもたらす。いくつかのトカマクで加熱条件に依存するタングステンの蓄積と劣化が報告されてきたが、このような高Z不純物の衝突効果および乱流による輸送は完全に理解されていない。高Z不純物を取り扱うために、ジャイロ運動論full-fオイラーコードGT5Dに異種粒子線形フォッカー・プランク衝突演算子に基づく陰解法衝突ソルバを拡張した。タングステンの衝突性輸送ベンチマークを実施し、GT5Dの精度検証を実施した。

口頭

Introduction of a multi-species collision operator in GT5D and its application to heavy impurity transport

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

重不純物輸送の解析に向けて、ジャイロ運動論full-fオイラーコードGT5Dに異種粒子線形フォッカー・プランク衝突演算子に基づく陰解法衝突ソルバを拡張した。この衝突ソルバでは、速度空間の移流拡散方程式として与えられる衝突演算子にクリロフ部分空間法を適用し、重不純物で特に厳しくなるCFL条件の問題を解決した。これに加えて、新たに磁束座標系を採用することによって、磁場構造を少ない格子数で解像することを可能とし、衝突性輸送解析を大幅に高速化した。タングステンの衝突性輸送ベンチマークを実施し、GT5Dの精度検証を実施した。

口頭

イオン温度勾配駆動乱流における不純物輸送解析

井戸村 泰宏; Obrejan, K.

no journal, , 

ジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dを多種イオン系に拡張した。高Z不純物とバルクイオンや電子の異種粒子衝突演算子は速度空間のマルチスケール問題となり、数値的取り扱いが難しくなる。この問題を解決するために、低エネルギー領域の衝突係数の発散を抑制するフィルタ関数と衝突演算子の陰解法ソルバを導入し、タングステンのような高Z不純物の解析を実現した。多種イオン系の新古典輸送の検証結果を示すとともに、非線形乱流計算における不純物輸送特性を議論する。

口頭

Numerical study of the role of higher order flows in neoclassical transport of high-Z impurities

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

ダイバータやプラズマ対向機器に対するタングステンコーティングは重い高電荷(高Z)不純物による核融合プラズマの燃料純度低下につながる。このような高Z不純物の新古典および乱流輸送は完全に解明されていない。高Z不純物輸送を解析するために、多粒子種線形フォッカー・プランク演算子に基づく陰解法衝突ソルバによってジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dを拡張した。標準的新古典理論において幅広く用いられている低次近似は低Z不純物によく一致するが、高Z不純物に対しては温度勾配の存在下で大きな違いが見られた。本研究では、高衝突度領域における摩擦係数をより高精度に再現するために高次流を考慮する修正新古典理論をテストし、GT5Dと良い一致を確認した。これにより、不純物輸送におけるバルクイオンの熱遮蔽効果が弱まるという重要な結論が得られた。

口頭

Development of exascale fusion plasma turbulence simulations for post-K

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Obrejan, K.; 朝比 祐一*; 松岡 清吉*; 今村 俊幸*

no journal, , 

ポスト京重点課題において、メニーコアプロセッサに基づく次世代計算環境向けにジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dの計算技術開発を進めてきた。本発表では、複雑なプロセッサ内メモリ階層、および、演算加速に比べて限定的なノード間通信性能に関する計算技術の課題を議論する。前者に関しては、各メニーコアアーキテクチャ上でステンシル計算カーネルのデータアクセスパターンを最適化し、高い性能向上を達成した。後者に関しては、先進的な省通信クリロフ部分空間法を適用した。この手法は集団通信を一桁以上削減し、さらに主要な計算カーネルの演算密度を向上する。上記の新たな計算技術の適用により、最新メニーコア環境におけるGT5Dの性能が大幅に向上し、Oakforest-PACS全系(8,192KNL)までの良好な強スケーリングを達成した。

口頭

実験解析に向けた準局所的full-fジャイロ運動論シミュレーションの開発

井戸村 泰宏; Obrejan, K.; 朝比 祐一*; 松岡 清吉*

no journal, , 

準局所的full-fジャイロ運動論シミュレーションによる低コストな実験解析に向けて、ジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dを従来の円筒座標系から磁束座標系に拡張した。この拡張にあたり、磁気軸付近で座標系を修正して磁気軸をまたぐ境界条件を設計するとともに、座標系を最外殻磁気面の外側にも拡張した。また、運動論的電子モデルも拡張し、ポロイダル非対称な対流セルの取扱いを可能とした。

口頭

Numerical study of neoclassical impurity transport using the code GT5D

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

タングステンのような重い不純物イオンの衝突性輸送、あるいは、新古典輸送に関して、ジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dの計算精度を検証した。タングステンの衝突性輸送は重水素や三重水素のような燃料イオンとの衝突相互作用によって決まる。重水素とタングステンの極端な質量比のために、衝突演算子は速度空間のマルチスケール問題となる。本研究では衝突演算子の数値的収束性を摩擦行列係数の評価によって検証し、重い不純物イオンの衝突性輸送理論を再現する上で必要な数値的解像度を明らかにした。

口頭

Influence of the normalised gyroradius on neoclassical transport in global gyrokinetic simulations using the code GT5D

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

プラズマ対向機器におけるタングステンの利用は重イオン不純物の炉心への蓄積による核融合プラズマの汚染をもたらす。重イオン不純物の輸送は新古典輸送と呼ばれる衝突性輸送によって評価されてきたが、最近の研究により大域的ジャイロ運動論的シミュレーションとHirshman-Sigmar (H-S)モーメント法と呼ばれる標準的な局所的理論の違いが示された。本研究ではジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dにおける改良型異種粒子線形フォッカー・プランク衝突演算子を用いてタングステンの新古典輸送についての系統的なベンチマークを行った。平坦な温度分布ではH-S法とのよい一致が得られたが、小型装置サイズでは温度勾配依存性はH-S法より弱いことがわかった。GT5DとH-S法の一致は現在の核融合実験装置を上回るITER規模の大型装置のみで得られた。

口頭

Influence of the normalised ion gyroradius on collisional transport of impurities in full-f gyrokinetic simulations

Obrejan, K.; 井戸村 泰宏; 本多 充*

no journal, , 

プラズマ対向機器におけるタングステンの利用は重イオン不純物の炉心への蓄積により核融合プラズマの燃料純度低下を引き起こすが、この現象は完全には解明されていない。本研究では大域的ジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5DとHirshman-Sigmarモーメント法と呼ばれる局所衝突性輸送理論における不純物粒子束の系統的な比較を行った。この結果、シミュレーションと理論は平坦な温度分布のケース、あるいは、ITER規模の大型装置においてのみ一致することがわかった。衝突性不純物輸送を駆動する流れの比較により、現在の装置サイズにおけるシミュレーションと理論の不一致の原因を詳細に調査した。

口頭

タングステン不純物の大域的新古典輸送解析

井戸村 泰宏; Obrejan, K.; 本多 充*

no journal, , 

大域的full-fジャイロ運動論コードGT5Dを用いてタングステン不純物の新古典輸送解析を行い、シミュレーションとHirshman-Sigmarによる局所的新古典輸送理論の比較を行った。プラズマサイズや温度勾配パラメータの系統的なスキャンを行った結果、プラズマサイズが大きい場合には理論とシミュレーションは定量的に一致するが、プラズマサイズが小さい場合には温度勾配が大きいと理論との違いが顕著になり、タングステン輸送の熱遮蔽効果の見積りが大きく異なることがわかった。

口頭

イオン温度勾配駆動乱流と新古典粒子輸送の相互作用機構

井戸村 泰宏; Obrejan, K.*; 朝比 祐一; 本多 充*

no journal, , 

大域的full-fジャイロ運動論コードGT5D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の輸送機構を調べ、ITG乱流との相互作用により新古典粒子輸送が大きく増大することを明らかにした。ITG乱流によってバルクプラズマの乱流粒子輸送が駆動され径電場が成長する。これに伴うE$$times$$B流の圧縮効果により上下非対称な密度揺動が形成され、これと磁気ドリフトの結合により新古典輸送が増大する。この効果は温度には働かず、粒子輸送のみを選択的に増大させる。

口頭

エクサスケール数値計算を見据えた性能可搬性研究およびデータ解析手法の開発

朝比 祐一; 前山 伸也*; Bigot, J.*; Garbet, X.*; Grandgirard, V.*; Obrejan, K.*; Padioleau, T.*; 藤井 恵介*; 下川辺 隆史*; 渡邉 智彦*; et al.

no journal, , 

エクサスケール数値計算のための性能可搬性向上に関する研究を紹介する。特にAMD GPUにおけるプラズマコードの性能や、C++標準言語におけるGPUコードの性能評価結果を示す。またdeep learningを用いた流体計算の代理モデルについても紹介する。

口頭

Targeting exa-scale systems; Performance portability and scalable data analysis

朝比 祐一; 前山 伸也*; Bigot, J.*; Garbet, X.*; Grandgirard, V.*; Obrejan, K.*; Padioleau, T.*; 藤井 恵介*; 下川辺 隆史*; 渡邉 智彦*; et al.

no journal, , 

エクサスケール数値計算のための性能可搬性向上に関する研究を紹介する。特にAMD GPUにおけるプラズマコードの性能や、C++標準言語におけるGPUコードの性能評価結果を示す。またdeep learningを用いた流体計算の代理モデルについても紹介する。

口頭

Performance portability of Ensemble Kalman Filter using C++ senders/receivers

朝比 祐一; 長谷川 雄太; Padioleau, T.*; Millan, A.*; Bigot, J.*; Grandgirard, V.*; Obrejan, K.*

no journal, , 

一般に、実稼働可能な科学シミュレーションは、計算、通信、ファイルI/Oを含む多くの異なるタスクで構成される。GPUによる計算の高速化に比べて、通信とファイルI/Oは遅くなり、大きなボトルネックになりうる。これらのコストを抑えるためには、これらのタスクを並行して管理することが非常に重要である。本講演では、通信とファイルI/Oのコストをマスクするために、言語標準C++ senders/receiversを採用する。ケーススタディとして、局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)を用いた2次元乱流シミュレーションコードをC++ senders/receiversを用いて実装する。LETKFでは、模擬観測データはファイルから読み込まれ、その後、MPI通信とGPU上での密行列演算が行われる。このフレームワークによる性能移植が可能なことと、非同期処理による性能向上の効果を実証する。

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