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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

Toroidal angular momentum balance during rotation changes induced by electron heating modulation in tokamak plasmas

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 24(8), p.080701_1 - 080701_5, 2017/08

AA2017-0264.pdf:1.52MB

 被引用回数:4 パーセンタイル:57.6(Physics, Fluids & Plasmas)

大域的full-fジャイロ運動論モデルに基づく電子加熱変調数値実験から、電子加熱によるイオン温度勾配駆動(ITG)乱流から捕捉電子モード(TEM)乱流への遷移が密度勾配の急峻化とプラズマ回転の変化をもたらすことを示した。回転変化時のトロイダル角運動量バランスをトロイダル角運動量保存則の直接観測によって明らかにし、イオン系の乱流応力に加え、イオン系の新古典応力、径方向電流、イオン系と電子系のトロイダル電場応力が重要となることを示した。ITGフェーズとTEMフェーズにおけるトロイダルトルクの反転はイオン系方向電流の反転によるものであり、これは粒子輸送と運動量輸送の相互作用であることを明らかにした。イオン系と電子系の径方向電流は両極性条件を満たすようにバランスし、電子系の径方向電流は電子系のトロイダル電場応力によって打ち消される。これは電子系のトロイダル電場応力が間接的にトロイダルトルクに影響していることを示す。

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

Nonlinear behaviour of collisionless double tearing mode induced by electron inertia

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明*

Nuclear Fusion, 45(11), p.1264 - 1270, 2005/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:62.91(Physics, Fluids & Plasmas)

核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、電子慣性等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、これらプラズマの粒子性を物理的に忠実に取り扱う観点から、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、反転磁気シア配位トカマクにおける磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。反転磁気シア配位において二つの共鳴面の距離が近いと、互いの共鳴面における摂動が結合し、ダブルテアリングモード(DTM)と呼ばれる内部モードが生じる。高温プラズマにおいて電子慣性により誘起される運動論的DTMは、抵抗性モデルにより予期されるものより、速い内部崩壊を引き起こし得ることが明らかとなった。さらに、内部崩壊により掃き出された電流は、DTMが作り出した静電ポテンシャルに導かれて凹型に再集中し得ることが明らかになった。本研究は、低ベータ負磁気シア実験におけるディスラプション機構の一端を示しており、またDTMを経た電流分布の再分配により負磁気シア配位を再構築し得ることを示唆している。

論文

Nonlinear acceleration of the electron inertia-dominated magnetohydrodynamic modes due to electron parallel compressibility

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 12(9), p.092505_1 - 092505_7, 2005/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:92.45(Physics, Fluids & Plasmas)

磁気流体力学(MHD)不安定性の研究は、プラズマを閉じ込める磁気面の保持/再生にかかわる、トカマク炉心プラズマ研究の中心課題である。核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、むしろ電子慣性,有限ラーマ半径等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。電子慣性の特徴的長さは電子スキン長であるが、それと比較して磁気再結合にかかわる他の素過程の特性長(イオンラーマ半径,抵抗層の厚さ等)が小さい場合、キンクモードは主として電子慣性によって誘起されると考えられる。しかし、このような電子慣性が支配的な運動論的キンクモードに対して、磁力線方向の電子圧縮性がわずかに存在する場合は、磁気再結合点近傍の電流構造を非線形的にY型からX型に変化させる。それゆえ、線形成長過程において電子慣性により支配されていたモードは、非線形的に成長率を加速させ、ある一定以上の成長率に達して内部崩壊に至ることが明らかとなった。また、このような非線形加速は、DTM等の内部モードに共通して現れる現象であることも判明した。

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

Gyrokinetic simulations of tokamak micro-turbulence including kinetic electron effects

井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.17 - 72, 2004/00

トカマクプラズマにおいてITG-TEM(イオン温度勾配駆動-捕捉電子モード)乱流により生じるイオン及び電子異常輸送を調べるためにグローバルジャイロ運動論的トロイダル粒子コードGT3Dを開発した。このコードによる予備的なITG-TEMの線形計算においてITG-TEMの基本的な性質を確認した。捕捉電子はITGモードの成長率を増大させるだけでなく、別の電子モード、TEMを励起する。$$k_theta$$あるいは$$eta_i$$により支配的なモードはITGからTEMに変化する。サイクロンパラメータを用いた線形ベンチマークにおいてGT3D, GTC(PPPL-CUI)、及びFULL(PPPL)コードの間で良い一致が得られた。

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:110 パーセンタイル:4.45(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

電子乱流スペクトルのジャイロ運動論的シミュレーション

河合 智賀; 井戸村 泰宏; 前山 伸也; 小川 雄一*

no journal, , 

核融合プラズマの閉じ込め特性を評価する上で乱流輸送をもたらす乱流スペクトルの理解が重要な課題となっている。本研究では、格子モデルに基づく高精度なジャイロ運動論シミュレーションによって電子乱流から帯状流が形成される自己組織化過程を詳細に解析し、帯状流の形成をもたらす乱流スペクトルの構造を明らかにした。

口頭

摂動磁場印加トカマクにおける新古典トロイダル粘性のfull-fジャイロ運動論シミュレーション

松岡 清吉*; 井戸村 泰宏; 佐竹 真介*

no journal, , 

軸対称トカマクにおいて非軸対称の摂動磁場が存在した場合、軸対称性が破れることで新古典粘性が誘起され運動量輸送やプラズマの回転分布などに影響を与える。本研究では、新古典トロイダル粘性をfull-fジャイロ運動論シミュレーションを用いて評価し、その評価法や結果の妥当性について検討している。発表では、トカマクに微小な共鳴摂動磁場が印加された場合の新古典トロイダル粘性のパラメータ依存性について、理論及び新古典輸送コードによる結果と比較することで議論する。

口頭

Full-f gyrokinetic simulations at the Exa-scale

井戸村 泰宏

no journal, , 

full-fジャイロ運動論コードは核融合プラズマの閉じ込め特性を評価する重要なツールとなっている。ペタスケール計算機では、full-fジャイロ運動論シミュレーションの適用範囲が劇的に拡大し、乱流輸送のプラズマサイズスケーリングといったITERの重要課題の理解が大きく進展した。次世代のエクサスケール計算機では乱流状態の核燃焼プラズマのfull-fジャイロ運動論シミュレーションによってITERの炉心運転シナリオが最適化されると期待される。本講演では、そのような核燃焼プラズマシミュレーションに向けた物理、および、計算機科学の課題を議論する。

口頭

GT5DISO2プロジェクトの研究成果

井戸村 泰宏

no journal, , 

本講演ではIFERC-CSC第4期プロジェクトGT5DISO2の研究成果を概説する。第3期プロジェクトでは水素同位体効果の再現には電子系乱流を含む計算が必要となることがわかった。この問題を解決するために、第4期プロジェクトではプラズマ乱流コードGT5Dにおいて新たな運動論的電子モデルを開発し、その計算精度を衝突性輸送現象や微視的不安定性の線形解析等のベンチマークによって検証した。新しい電子モデルを含むイオン温度勾配駆動乱流のfull-fジャイロ運動論シミュレーションを実施し、電子の運動論的応答に起因する新しい乱流飽和機構を発見した。

口頭

Full-f gyrokinetic simulations on rotation changes induced by electron heating modulation

井戸村 泰宏

no journal, , 

プラズマ回転の反転あるいは変化は近年の運動量輸送トカマク実験における重要課題の一つである。本研究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を用いた数値実験に基づきこの問題を調べた。GT5Dではトロイダル角運動量保存則の直接観測によって詳細な運動量輸送機構およびそれによって形成されるプラズマ回転を解析できる。多くのトカマク装置において、運動量入力のない電子サイクロトロン共鳴加熱の印加によって回転変化が共通して観測されている。この電子加熱による回転変化を数値実験ではじめて再現し、イオン乱流と電子乱流の間で運動量の乱流輸送が変化することが重要な役割を果たすことを発見した。

口頭

Full-f gyrokinetic simulation including kinetic electrons

井戸村 泰宏; 朝比 祐一*; 林 伸彦*; 浦野 創*

no journal, , 

Full-fジャイロ運動論シミュレーションは核融合プラズマにおける非局所的乱流輸送現象、プラズマ分布、閉じ込め時間を解析する上で重要なツールであるが、従来のFull-fシュミュレーションは断熱応答電子を仮定するイオン系乱流しか扱えなかった。ITERで重要となる電子系乱流を解析するために、本研究ではFull-fシミュレーションの新たなハイブリッド電子モデルを開発し、その精度検証を実施した。このモデルでは、乱流場を決定するポアソン方程式において高周波ノイズを励起する通過電子応答を解析解で近似することによって高周波ノイズを消去し、長時間スケールのFull-fシミュレーションを実現した。このモデルを用いた電子系乱流の数値実験により、電子乱流輸送に関連する新たな乱流抑制機構や運動量輸送機構を発見した。また、実証研究において実験的に観測されている電子加熱がもたらすプラズマ回転変化を再現できることを示した。

口頭

Full-f gyrokinetic simulations on rotation changes induced by electron heating modulation

井戸村 泰宏

no journal, , 

ITERのプラズマ回転を決定すると考えられている運動量の乱流輸送は国際トカマク物理活動における重要課題の一つである。特に、運動量入力のない電子サイクロトロン波による電子加熱がもたらすプラズマ回転の変化は運動量の乱流輸送の変化を示す現象として近年注目されてきたが、その物理機構は未解明であった。本研究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を用いた数値実験によりこの現象を再現することに成功した。トロイダル角運動量保存則の直接観測によって、電子加熱によって主要な乱流がイオン系乱流から電子系乱流に遷移し、運動量の乱流輸送が変化することを発見した。

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

Optimization of Fusion Plasma Turbulence Code GT5D on FUGAKU and SUMMIT

井戸村 泰宏; Ali, Y.*; 伊奈 拓也*; 今村 俊幸*

no journal, , 

クリロフ部分空間法に基づく差分陰解法はジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dの主要な計算コストを占める。ポスト京重点課題では、演算加速に比べてノード間通信性能が限定的なエクサスケール計算機向けに先進的な省通信クリロフ部分空間法を開発してきた。本研究では、FP16前処理を用いた混合精度省通信GMRESソルバを開発する。この前処理により、反復回数と袖通信が大幅に削減された。新しいソルバを富岳とSUMMITに移植し、既存のマルチコア/メニーコアプロセッサにおける従来のソルバに対する性能比較を行う。

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