Delčna koda za heterogene računalniške arhitekture na ravni eksa

Financerji

Materija v stanju plazme se trenutno uporablja v številnih tehnoloških procesih in je ključni del sodobne industrije in znanstvenih projektov. Uporaba plazemske tehnologije sega od nanašanja materialov pri proizvodnji čipov do vesoljske tehnologije in prihodnjih fuzijskih elektrarn. Vendar pa je plazma negostoljubna z vidika karakterizacije in jo je zaradi fizikalnih procesov v plazmi, ki se odvijajo na različnih dolžinah in časovnih lestvicah, težko modelirati. To pogosto privede do uravnoteženja prizadevanj za modeliranje med natančnostjo in strogostjo na eni strani ter hitrostjo in dostopnostjo na drugi strani. Prve lastnosti so značilne za kinetični opis plazme, druge pa za opis tekočine. S prihodom eksaskalnih računskih zmogljivosti ne bi smelo biti kompromisa med obema pristopoma.

Glavni predstavnik kinetičnega pristopa so kode delci v celici, ki združujejo Maxwellove enačbe polja z Newtonovo mehaniko. Ta metoda je metoda prvega principa, saj iz osnovnih enačb samokonsistentno opisuje plazmo z interakcijami med delci, delci in poljem ter delci in mejami. Vendar pa po eni strani omogoča zelo naraven opis plazme na ravni delcev, po drugi strani pa so računske zahteve bistveno večje kot pri eulerjevskem pristopu fluidnih kod. To je zato, ker kinetične kode sledijo vsakemu delcu med simulacijo, medtem ko fluidne kode predpostavljajo, da je plazma v termodinamičnem ravnovesju in jo obravnavajo kot homogeno snov - tekočino -, ki teče mimo fiksnih merilnih/računalniških točk. V veliko tehnoloških procesih je odstopanje od termodinamičnega ravnovesja ključni del problema, zato je potreben kinetični opis, da bi dobili vpogled v procese in jih lahko optimizirali.

Z metodo Heterogeneous Exascale Particle-In-Cell (HEXAPIC) nameravamo znatno skrajšati čas simulacije popolnoma kinetičnega pristopa in hkrati povečati raven kompleksnosti opisa plazemskih procesov. To bomo storili z razvojem optimiziranih algoritmov PIC za računanje v eksaskalah in z uporabo sodobnih značilnosti eksaskalarne infrastrukture s prilagojenim kodnim okvirom PIC. Pri tem bomo izkoristili najsodobnejše pristope in optimizacijo v pomnilniku, uravnoteženje obremenitve, uporabo pospeševalnikov in optimiziranih komunikacijskih protokolov računalniških sistemov.

Cilj projekta HEXAPIC je omogočiti zelo natančne kinetične simulacije različnih tehnoloških procesov, ki vključujejo plazmo, v razumnih časovnih okvirih z uvedbo izboljšanih algoritmov PIC, prilagoditvijo delovnega procesa PIC za eksaskalarno računalništvo in optimizacijo kodnega okvira z uporabo najsodobnejših pristopov k programski in strojni opremi.

Partnerji projekta

Univerza v Luxemburgu