Германо-итальянская команда ускорила программу моделирования турбулентности в токамаке

Недавно исследователи из Института физики плазмы Общества Макса·Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics, сокращённо IPP) в Германии и Миланского политехнического университета в Италии совместно обнародовали результаты исследования в области моделирования термоядерного синтеза: им удалось успешно реконструировать традиционную программу TRIMEG-C1 в TRIMEG++, впервые полностью перенеся основные вычислительные этапы на графические процессоры (GPU), что обеспечило эффективное программное решение для расширения масштабов численного моделирования токамаков.

Моделирование турбулентности в токамаке требует отслеживания и обновления в реальном времени состояний движения огромного количества вычислительных частиц; точное проецирование информации о частицах на сетку и решение сложных уравнений электромагнитного поля приводят к нелинейному росту вычислительных затрат по мере увеличения масштаба моделирования. Для этого исследовательская группа успешно реализовала перенос вычислительной нагрузки с помощью директив OpenMP, а также задействовала графический бэкенд программной библиотеки PETSc для решения уравнений поля, что позволило эффективно распараллелить на ускорителях такие ключевые высокоинтенсивные вычислительные этапы, как продвижение частиц, проецирование частиц и решение уравнений поля.

В тестах производительности на эталонном примере TCV-X21 исследователи использовали традиционный узел с двумя процессорами и суммарно 256 вычислительными ядрами в качестве базовой линии для сравнения. Тесты показали, что узел с двумя AMD MI300A обеспечил значительное ускорение всего моделирования в 4,1–6,1 раза, а узел с четырьмя NVIDIA A100 — ускорение в 2,1–3,0 раза. Тесты также выявили, что по мере непрерывного увеличения числа вычислительных частиц эффект аппаратного ускорения становится более выраженным, а организация памяти и способы передачи данных в различных аппаратных архитектурах оказывают существенное влияние на общую производительность программы.

Обеспечив значительный скачок вычислительной производительности, исследовательская группа провела углублённое сопоставление выходных результатов различных вычислительных платформ, строго проверив численную согласованность после переноса программы, и протестировала эволюцию плазменных неустойчивостей на сложных примерах как с областью открытых силовых линий, так и без неё. Данное исследование органично сочетает превосходные тесты вычислительной производительности со строгой проверкой физических величин, закладывая ключевую вычислительно-программную основу для виртуального проектирования и прогнозирования физических экспериментов на будущих крупномасштабных термоядерных установках.