「「京」を用いたマルチスケール核融合プラズマ乱流シミュレーション」 前山

「京」を用いたマルチスケール核融合プラズマ
乱流シミュレーション
前山 伸也
日本原子力研究開発機構
システム計算科学センター
「京」を用いたマルチスケール核融合プラズマ乱流シミュレーション
前山
伸也
日本原子力研究開発機構・システム計算科学センター
〒277-0871 千葉県柏市若柴 178-4-4
[email protected]
核融合プラズマでは、プラズマ中で生じる乱流が熱や粒子の輸送を引き起こし、プラズマ閉じ込め
性能を劣化させてしまうため、乱流輸送現象の解明が重要な課題である。プラズマ乱流の理解は、ジ
ャイロ運動論と呼ばれる第一原理的モデルに基づく理論・数値シミュレーション研究により推し進め
られてきた。従来の多くの研究では、イオン系乱流(波長約 2cm、周波数約 10kHz)と電子系乱流(波
長約 0.5cm、周波数約 400kHz)の間のスケール分離を仮定して解析がなされてきた。しかしながら、
多階層の物理が非線形性により複雑に相互作用する乱流現象において、スケール分離の仮定は自明で
はなく、イオン系乱流と電子系乱流の間の相互作用の有無を明らかにすることが課題となっていた。
両者のスケールを同時に取り扱うには、約 10 万倍の時空間分解能が必要となるため、
「京」のような
最先端の超並列計算機が不可欠である。
ジャイロ運動論的シミュレーションコード GKV は核融合プラズマの乱流輸送解析に用いられるコー
ドの一つで、その解析適用範囲は物理モデルの拡張と高性能計算手法の発展とともに拡大されてきた。
これまでに、軸対称プラズマにおけるイオン系乱流解析(核融合科学研究所・プラズマシミュレータ
1.4TFLOPS、2006)、非軸対称プラズマにおけるイオン系乱流解析(海洋研究開発機構・地球シミュレ
ータ 40TFLOPS、2008)、電子効果を含むイオン系乱流解析(国際核融合エネルギー研究センター・Helios
1.2PFLOPS、2013)への適用がなされ、大型実験装置との比較研究も行われている。そして近年、10PFLOPS
を誇る理化学研究所の「京」を活用することで、マルチスケール核融合プラズマ乱流シミュレーショ
ンが実現した。
「京」は数万の計算ノードが Tofu インターコネクトと呼ばれるネットワークで接続された分散並列
計算機であり、その性能を最大限に引き出すためにはノード間通信コストの削減が重要となる。GKV
コードではジャイロ運動論で記述される 5 次元位相空間の並列化に伴い、様々な種類の通信が発生す
る。そこで、これらの異なる通信パターンに対し、通信のトレードオフを分析し、Tofu インターコネ
クト上で通信コストが最小となる最適化技術を開発した。具体的には、5 次元空間をいくつかのセグメ
ントに区分けして、通信を局所的に閉じ込めて実行するようにプロセス配置することで、通信コスト
を約 60%削減することに成功した。それに加えて、各計算ノードに搭載された複数のコアを利用して、
通信スレッドと演算スレッドによる通信と演算の同時処理を行い、通信コストを実効的にマスクする
ことに成功した。以上の最適化により、GKV の並列処理性能は飛躍的に向上し、
「京」全システム規模
の約 60 万並列における 0.78PFLOPS という高い演算性能と、99.99994%という高い実効並列化率を達成
した。
これにより、電子スケールからイオンスケールまでを統一的に扱う直接数値シミュレーションに基
づいて、マルチスケールプラズマ乱流におけるダイナミクスを解析し、電子/イオン系乱流における
スケール間相互作用が存在することを示した。波の非線形相互作用に関する詳細解析により、スケー
ル間相互作用として、①イオン系乱流による電子系乱流の抑制と②電子系乱流によるイオン系乱流の
増大の二つの物理機構を明らかにした。前者は、イオン系乱流の作る渦のせん断効果により、電子系
乱流で現れる波が引きちぎられることで生じ、これにより電子スケールで起こる電子熱輸送が低減さ
れる。後者は、電子系乱流の作る微細な渦が、帯状流と呼ばれる空間的対称性を持つ層流状の流れに
対する減衰として寄与することで生じる。イオン系乱流を抑制する効果を持つ帯状流が低減されるこ
とで、結果的にイオン系乱流が増大することが明らかとなった。これらの成果は、従来のスケール分
離の仮定を覆すスケール間相互作用の存在の実証と、その物理機構を解明した成果として、高性能計
算分野のみならず、核融合分野においても高く評価されている。
以上のように、
「京」を活用した超並列計算は核融合プラズマ乱流研究のブレークスルーをもたらし
ている。今後はエクサスケール計算機への適用を視野に入れてさらに開発を進め、新たな物理を切り
拓くツールとして、ますます発展していく大規模並列計算機を活用したい。
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This work is supported by HPCI Strategic Program
Field No.4 and MEXT KAKENHI Grant No.26800283.
Outline
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Performance of supercomputers
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Year
7
Outline
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Mapping
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9
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11
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[Idomura, 2013]
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N-1
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Threads
Comm.
01
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Threads
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0.8
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0.4
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1ᑐ1㏻ಙ
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79%
reduced
80%
masked
0.2
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(256, 256, 32, 32, 32, 2)
0
No
optimization
Mapping
Mapping
+ Overlaps
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(Nxy, Nz, Nv, NNj, Ns, Nthreads)
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13
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10
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104
105
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15
Outline
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Heating
Fusion
Magnetic
field
Supercondu
cting coils
Charged
particles
Turbulent
transport
17
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࿘Ἴᩘ~10kHz)
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Electric field E
䞉 Dense
High
Temp.
Fluctuation
䞉 Spase
䞉 Dense
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Low
Temp.
Magnetic field B
18
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10
2.5
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0
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ITG
0.1
0.1
1
10
Poloidal wave number kyǏti
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19
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10
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Spectra
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Flows
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