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論文

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

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

Proceedings of International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis (SC 2020) (Internet), p.1318 - 1330, 2020/11

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-$$f$$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。

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:40.69(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

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:50.79(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

Global profile effects and structure formations in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Nuclear Fusion, 45(12), p.1571 - 1581, 2005/12

 被引用回数:38 パーセンタイル:76.55(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動論的グローバルトロイダルコードを用いて正磁気シア及び反転磁気シアトカマクにおけるトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。非線形乱流状態において正磁気シア及び反転磁気シア配位におけるETG乱流は全く異なる構造形成を示す。正磁気シア配位においては、ETG乱流はバルーニング構造を示すストリーマにより支配され、電子温度$$T_e$$分布は乱流の時間スケールで急速に緩和し臨界安定状態に至る。反転磁気シア配位においては、正磁気シア領域がストリーマで特徴付けられるのに対し、負磁気シア領域では準定常な帯状流が生成される。この結果、電子熱拡散係数$$chi_e$$$$q_{min}$$面をまたがってギャップ構造を形成し、温度勾配は臨界安定より上の状態で準定常に長時間維持される。これらの結果は、正磁気シアトカマクにおける$$T_e$$分布の硬さ、及び、反転磁気シア配位における$$T_e$$輸送障壁形成の可能性を示唆している。

論文

微視的乱流の$$delta f$$シミュレーション

井戸村 泰宏

プラズマ・核融合学会誌, 81(8), p.581 - 592, 2005/08

ジャイロ運動論的粒子シミュレーションはトカマクプラズマの微視的乱流を研究するための有効な手段である。ジャイロ運動論的粒子シミュレーションにおける標準的な手法となっている$$delta f$$法は、粒子ノイズの低減により粒子シミュレーションの効率を大幅に向上させ、完全トーラス配位の乱流シミュレーションを可能にした。本稿では$$delta f$$法を概説し、完全トーラス配位のジャイロ運動論的粒子シミュレーションにおける問題点を議論する。

論文

A Linear gyrokinetic model in magnetic coordinates

Jolliet, S.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.345 - 351, 2004/00

グローバル粒子シミュレーションはイオン系乱流の時間発展を解析するうえで非常に有効な手法であるが、非常に計算コストが高い。このため、より洗練されたシミュレーションを実現するためには、さらにコードを最適化する必要がある。論文ではVlasov方程式を円柱座標(r,z)で解き、Poisson方程式を磁束座標(r,$$theta$$)で解くLORB5コードに関して、どちらの方程式も単一の磁束座標(s,$$theta_*$$)で取り扱うモデルを提案する。ここで、$$theta_*$$はstraight-field-lineポロイダル座標を示す。磁気軸での特異性を避ける手法、Cycloneパラメータを用いたベンチマークについても報告する。

論文

Global gyrokinetic simulation of ion temperature gradient driven turbulence in plasmas using a canonical Maxwellian distribution

井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Nuclear Fusion, 43(4), p.234 - 243, 2003/04

 被引用回数:112 パーセンタイル:95.35(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動論的トロイダル粒子コードGT3Dを開発した。GT3Dでは、軸対称トロイダル系における運動の恒量により定義される正準マックスウェル分布に基づく手法,高$$(m,n)$$モードのグローバル解析を可能にする準バルーニング展開、あるいは、粒子,エネルギーなどの保存則を改善する最適化粒子配分法といった新しい手法が実装されており、実装置パラメータにおける高精度のプラズマ乱流シミュレーションが可能になっている。本コードを大型トカマク$$(a/rho_i=320sim460)$$におけるITG(イオン温度勾配駆動)モードの解析に適用し、反転磁気シア配位は$$q_{min}$$領域におけるITGモードの実質的な安定化に寄与することを明らかにした。また、GT3Dでは正準マックスウェル分布を用いた実装により、軸対称モード、特に、乱流抑制に寄与する乱流駆動$$Etimes B$$帯状流の応答が正しく表現されている事を確認し、従来の局所マックスウェル分布を用いた乱流シミュレーションにおける重要な問題点を明らかにした。

論文

A Particle-fluid hybrid simulation model based on nonlinear gyrokinetics

徳田 伸二; 内藤 裕志*; W.W.Lee*

プラズマ・核融合学会誌, 74(1), p.44 - 53, 1998/01

非線形ジャイロ運動論にもとづく自己無撞着な粒子-流体ハイブリッド・シミュレーション・モデルの定式化を行った。この定式化においては電子慣性の効果を残す。電子の分布関数から電子流体の方程式を導出する際、特性関数とキュムラント関数を利用する。この方法は電子の分布関数からモーメント方程式を導く統一的な方法である。また、非線形なブラゾフ-ポアソン-アンペールシステムにおけるエネルギー保存則を調べ、このハイブリッドシステムは厳密なエネルギー保存則が成立することを明らかにした。ここで提案するハイブリッド・シミュレーション・モデルは無衝突m=1モード不安定性(m:ポロイダル・モード数)等の電子慣性の重要な運動論的MHDモードの研究に適している。

口頭

Progress of full-f gyrokinetic simulations including kinetic electrons

井戸村 泰宏

no journal, , 

ジャイロ運動論は微視的プラズマ乱流から巨視的プラズマ分布の発展に至る核融合プラズマのマルチスケール現象を第一原理に基づいて記述する。従来の$$delta$$fシミュレーションではこれらのスケール分離を仮定してマルチスケール問題を回避することにより低コスト計算を実現したが、スーパコンピュータの発展により、このマルチスケール問題を直接計算するfull-fジャイロ運動論シミュレーションが可能になった。さらに、最近の運動論的電子モデルの開発によって、電子系乱流を含むより現実的な数値実験が可能となり、変調電子加熱実験における過渡的プラズマ応答のような電子系乱流が重要な実験的観測を解析できるようになった。本招待講演では、最先端の電子系乱流シミュレーションに至る近年のfull-fジャイロ運動論シミュレーションの進展を概説する。

口頭

GT5DISOの研究成果

井戸村 泰宏; 松岡 清吉; 伊奈 拓也; Garbet, X.*; Brunner, S.*; Villard, L.*; 河合 智賀*

no journal, , 

本講演では、平成26年度-28年度に実施したGT5DISO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ジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dを用いて乱流輸送の同位体効果を研究してきた。平成26年度には、断熱応答電子のイオン温度勾配駆動(ITG)乱流には同位体効果が見られず、運動論的捕捉電子が駆動する捕捉電子モード(TEM)がこの問題において重要となることを示した。平成27年度には、GT5Dにおいて新たなハイブリッド運動論的電子モデルを開発し、ITG-TEM乱流計算の精度検証を実施した。平成28年度には、TEM乱流が粒子と運動量の輸送において重要な役割を果たす電子変調加熱実験に対する運動論的電子モデルの実証研究を実施した。最後に、ITG-TEM乱流計算の同位体スキャンを実施し、水素プラズマと重水素プラズマで閉じ込め特性が異なる傾向を確認した。

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。

口頭

Development of gyrokinetic toroidal 5D full-f Eulerian code GT5D on Helios and K-computer

井戸村 泰宏

no journal, , 

本講演では、IFERC-CSCプロジェクト期間中にヘリオスおよび京コンピュータにおいて推進してきたジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dの開発、および、そのプラズマ乱流研究への応用に関する成果を概説する。プロジェクトの前半期間では、主に、イオン温度勾配駆動(ITG)乱流の数値実験の大規模化に向けた計算機技術開発を行い、先進的な通信隠蔽手法によって京コンピュータ全系規模の強スケーリングを達成した。これによってITER規模のITG乱流数値実験を実現し、イオン熱輸送の装置サイズスケーリングを明らかにした。プロジェクト後半では捕捉電子モード(TEM)乱流の数値実験に向けた新たな運動論的電子モデルの開発を行い、電子変調加熱実験における運動量輸送の機構を解明した。

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

Status of GT5D

井戸村 泰宏

no journal, , 

ポスト京重点課題では、ポスト京におけるエクサスケール核燃焼プラズマシミュレーションに向けてジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dの開発を進めている。本講演ではGT5Dにおける新たな計算技術開発の現状を概説する。GT5Dの主要な計算部分は半陰的時間積分法で用いられるクリロフ疎行列ソルバとなる。本研究ではこのソルバの計算カーネルを富岳試作機、および、V100GPUに移植し、これらの最先端メニーコア、GPUアーキテクチャにおいてほぼ理想的な性能向上が得られることを確認した。

口頭

Development of exascale full-f gyrokinetic simulation on Summit and FUGAKU

井戸村 泰宏

no journal, , 

ジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dはスティフな線形4次元移流演算子に陰解法時間積分が適用する半陰解法差分スキームに基づいており、高速な運動論的電子の陰解法差分ソルバが全体の80%以上の計算コストを占める。この陰解法ソルバは元々クリロフ部分空間法を用いて開発されたが、大域的集団通信と袖通信が最新の演算加速環境におけるボトルネックとなってきた。この課題を解決するために、新しい半精度前処理を用いて収束特性を向上し、反復回数と通信回数を一桁削減した。富岳で新たにサポートされた半精度SIMD演算を活用して半精度前処理を用いた省通信ソルバを開発し、これをSummitにも移植した。新しい省通信ソルバによって富岳とSummitの両方で大幅な性能向上を達成し、開発手法の性能移植性を示した。

口頭

LOC-SOC遷移のfull-fジャイロ運動論的シミュレーション

井戸村 泰宏; Dif-Pradalier, G.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; Tore Supra Teams*

no journal, , 

富岳におけるfull-fジャイロ運動論的シミュレーションにより、ToreSupraトカマクにおけるジュール加熱プラズマのLOC-SOC(linear and saturated ohmic confinement)遷移現象を解析し、低密度かつ高ZeffのLOCフェーズと高密度かつ低ZeffのSOCフェーズで主要な乱流が捕捉電子モード乱流からイオン温度勾配駆動乱流に遷移することを確認した。さらに、数値実験においてLOC-SOC遷移に伴うエネルギー閉じ込め時間や自発プラズマ回転の変化、および炭素不純物の吐き出しといった実験的に観測されているプラズマパラメータの変化を再現することに成功した。

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