ECP が資金提供するプロジェクトは、プラズマ加速器のモデリングを新たな高みへと導きます。
2月 2023 年 1 月 1 日 — 科学的発見やさまざまな医療および産業用途におけるその役割が長い間評価されてきた粒子加速器は、基礎研究の多くの分野で使用されており、ノーベル賞を受賞した物理学および化学の研究を可能にした功績が認められています。 しかし、これらのハイエンド機器は多くのスペースを占有し、高額な値札も持っています。 陽子線治療のために医療センターで使用されるような小型の加速器でさえ、ハードウェア、電源、および放射線遮蔽を収容するために広いスペースが必要です。
幸いなことに、ここ数年、物理学者、エンジニア、および計算科学者は、能力を高めながらサイズとコストの両方を縮小することにより、より手頃でアクセスしやすい粒子加速器を作成することに取り組んできました。 これらの取り組みにおける最もエキサイティングな開発の 1 つは、プラズマ加速器です。プラズマ加速器は、高周波ではなくレーザーまたは粒子ビームを使用して加速場を生成し、これらのデバイスが従来の加速器よりも何桁も大きい加速電界をサポートできるようにします。設置面積がはるかに小さく、卓上にも収まります。
しかし、プラズマ加速器の小型化は、しばしばピコ秒やマイクロメートルのスケールで行われる複雑な超高速プロセスを制御する上での課題を提示します。 したがって、コンパクトな設計を実現するには、広範囲の空間と時間スケールにわたって加速プロセスの完全な複雑さを捉えることができる高性能で忠実度の高いモデリングを可能にする新しい数学およびソフトウェア機能が必要です。シミュレーションはしばしば計算集約的です。
この問題に対処するために、DOE のエクサスケール コンピューティング プロジェクト (ECP) の注目と支持も集めた、ローレンス バークレー国立研究所 (バークレー ラボ) 主導の取り組みである WarpX プロジェクトは、過去 6 年間を費やして、斬新で高度に並列化された最先端のエクサスケール スーパーコンピューターでプラズマ ベースの粒子コライダーをモデル化するための、高度に最適化された単一ソースのシミュレーション コード。
WarpX は、プラズマ チャネルの長いチェーンでの粒子ビームの輸送と加速における重要な物理的問題の計算による調査を可能にします。これにより、プラズマ ベースのコライダーを構築する前に設計と特性評価を大幅に節約できる可能性があります。 エクサスケール モデリングを使用してこれらのデバイスを検証することは、食品や有毒廃棄物の殺菌、半導体へのイオン注入、がんの治療、融合研究の推進、新薬の開発など、より広範なアプリケーションにつながる可能性もあります。
「まだ多くの研究を行う必要があり、プラズマに関するほとんどのことと同様に、多数の空間と時間スケールのために複雑であるため、大規模なシミュレーション ツールが必要です。 これが WarpX の出番です。 ECP WarpX 開発チームの PI (Berkeley Lab の Ann Almgren とともに)。 Berkeley Lab の外では、ECP WarpX 開発チームには、Lawrence Livermore National Laboratory と SLAC National Accelerator Laboratory の共同研究者が含まれています。
次世代PICソリューション
「WarpX のアイデアは、パーティクル イン セル (PIC) ソリューションを提供することです。 [a technique used to solve a class of plasma physics problems from first principles] これにより、以前よりもはるかに大きく高速に問題に取り組むことができ、これまで不可能だった規模でプラズマ加速のソリューションを探ることができます」と Vay 氏は述べています。 「シミュレーションだけを行う必要はありません。計算量が非常に多い公差も調べる必要があります。 そのため、私たちはハイ パフォーマンス コンピューティングで最先端の技術を推進しています。」 さらに、PIC 法は他の多くのビームやプラズマ物理の問題をモデル化するのに重要であるため、「コードは汎用的に設計されており、加速器、核融合などの幅広い問題の解決策を、主要な問題をはるかに超えて前進させます。 ECP WarpX プロジェクトのプラズマベースのコライダーに焦点を当てています」と Vay は付け加えました。
DOE の核融合エネルギー科学プログラムのために Alex Friedman と協力者 (Vay やその他の WarpX 開発者を含む) によって開発された、単純に「Warp」と呼ばれるコードの元のバージョンは、Python の最上位レイヤーにラップされた Fortran サブルーチンを使用して高速計算を行いました。制御とステアリングのシミュレーション。 このバージョンのコードには、アダプティブ メッシュ リファインメント (AMR) などの独自の最先端アルゴリズムが多数組み込まれていましたが、移植して CPU と GPU の両方で効率的に実行することは容易ではありませんでした。 このハイブリッド アーキテクチャは、新興のエクサスケール スーパーコンピューターの特徴です。 その結果、「移植可能な C++ プリミティブを使用してコードを完全に書き直すことが、両方のプラットフォームで効率的に実行される単一のソース コードを開発する方法であることがすぐに明らかになりました」と Vay 氏は述べています。 WarpX チームがこれまでに直面した最大の課題。
そこでチームは、AMReX に目を向けました。AMReX は、AMR 機能の堅牢で効率的かつスケーラブルな実装を提供する ECP ソフトウェア ライブラリであり、応用数学および計算研究の John Bell と Ann Almgren が率いるチームによって開発された多用途の移植可能な C++ プリミティブです。バークレー研究所の部門 (AMCRD)。
「AMReX は、物理ブロック構造のメッシュ リファインメント アルゴリズムを複数のコンピューター アーキテクチャに実装するのに役立つ数値ライブラリです」と、バークレー研究所の加速器技術および応用物理部門の計算物理学者および研究ソフトウェア エンジニアであり、WarpX の主任開発者である Axel Huebl 氏は述べています。 「メッシュの改良により、計算能力をシミュレーションの最も興味深い部分に集中させることができますが、モデル化するプラズマ物理学などのより大規模で巨視的な進化に対しても効果を維持できます。」
この目的に向けて、WarpX チームはより高いグリッド解像度でプラズマ加速器のより長いチェーンをシミュレートしたため、シミュレーションの効率は既存のアルゴリズムの数値制限によって制限されました。 そのため、いくつかの特定の制限を取り除く新しいアルゴリズムが考案され、場合によっては 1 桁以上のスピードアップが実現しました。 そして、開発からわずか 1 年で、AMReX チームは強化された WarpX コードを GPU で実行できるようになったと、Vay 氏は述べています。
AMCRD のコンピューター システム エンジニアで WarpX のメンバーである Andrew Myers 氏は次のように述べています。 AMReX の実装に尽力してきたチーム。 「たとえば、AMReX の多くの粒子アルゴリズムが機能する方法を再設計する必要がありました。」
「AMReX チームは素晴らしい仕事をしてくれました。解決策が何であるかを判断するために多くのテストを行い、CPU または NVIDIA、AMD、または Intel GPU 用にコンパイルできる単一のソース コードを提供するこのレイヤーを開発しました」と Vay 氏は述べています。言った。
4 台のスーパーコンピューター、ゴードン ベル賞など
ECP とチーム メンバーのそれぞれの機関からの支援により、これらの開発努力はすでに成果を上げています。 2022 年に実行されたシミュレーションでは、WarpX プロジェクトは、エクサスケール スーパーコンピューター Frontier で、以前のバージョンの Warp よりも 500 倍のパフォーマンス向上を示し、Frontier で大規模に実行することによってプロジェクトの目標を達成した最初の ECP アプリケーションでした。 また、Frontier、Fugaku、Summit でレーザーと物質の相互作用の 3D シミュレーションを実行した最初のコードでもありました。これは、これまで標準コードでは手の届かないものでした。
「WarpX を使用すると、同じコード ベースを使用して、コードに変更を加えることなく、さまざまなマシン用にコンパイルできます。これは、この取り組みとプロジェクトの大きな焦点でした」と Myers 氏は述べています。
「これは ECP が本当に重視していることです」と Huebl 氏は付け加えました。 「プロジェクトにこれほど長い間取り組んでいる場合、どうすればこの開発を持続可能にすることができますか? ほとんどの場合、私たちのコードはマシンよりも長持ちするため、次のマシンが登場する 5 年後に継続できるように意図的に計画しています。すべてを書き直すこと。」
WarpX プロジェクトのもう 1 つの重要なマイルストーンは、世界最速の 10 台のスーパーコンピューターのうち 4 台 (Frontier、Fugaku、Summit) で最適化された動的プラズマの、初のメッシュ リファインド超並列 3D PIC シミュレーションのコードの実装と展開の成功でした。 、およびPerlmutter）。 この成果により、フランスと日本の WarpX 開発チームと協力者は、2022 年にコンピューティング機械協会の権威あるゴードン ベル賞を受賞しました。
そして、WarpX プロジェクトはまだ終わっていません。 さまざまなアプリケーション向けにコードの最新の反復をさらに活用するいくつかの活動がすでに進行中です。
- WarpX は、数十から数千のプラズマ ベースの加速器ステージに基づくマルチ TeV 高エネルギー物理コライダーのモデリングに向けて、数十の連続したプラズマ ステージでのプラズマ ベースのコライダー設計に関する未解決の問題の調査に適用されています。 これらの研究のためのコードの精度と速度を改善するために、新しいアルゴリズムが研究されています。これには、AMR のより用途が広く堅牢な実装が含まれます。
- 研究機関、学界、産業界で、レーザーイオン加速、構造ベースの航跡場加速、レーザープラズマ相互作用、プラズマ不安定性、プラズマミラー、核融合装置、磁気核融合シース、磁気核融合などのトピックに WarpX を適用するユーザーが増えていますリコネクション、パルサー物理学、熱電子変換器、加速器の電子雲。 それらのいくつかは、コードのテストと開発にも貢献しています。
- WarpX の成功により、人気のある従来のアクセラレータ スイート IMPACT (現在の ImpactX) を書き直した ImpactX や、プラズマ アクセラレータ用の準静的コード HiPACE を書き直した HiPACE++ などのスピンオフ プロジェクトが促進されました。 どちらも、AMReX ライブラリを使用し、データ構造とモジュールを WarpX と共有して、CPU と GPU 用に書き直されました。 もう 1 つのスピンオフは Artemis で、これは WarpX の上に構築され、次世代のマイクロエレクトロニクスにおけるマイクロマグネティックスと電気力学的波動のモデリングのための追加機能を備えています。
「WarpX は、1 つのターゲット アプリケーションを念頭に置いた一般的なコードとして構築されましたが、さらに多くのことが可能であり、人々はすでにさらなるアプリケーションを模索しています」と Vay 氏は述べています。
ECP の取り組みの一部であることは、この一連の研究に明らかな影響を与えている、と彼は付け加えました。 「ECP プロジェクトは、私たちの科学コードの開発と生産性を大きく後押ししてくれました」と彼は言いました。 「WarpX チームの私たちの多くは、WarpX、AMReX、およびパートナーの間で、これまでの科学的生活の中で最高のコラボレーション体験を育んだことに同意しています。 さらに、ECP は、統合された科学ソフトウェアのコミュニティの一部である、コードの統合された PIC エコシステムという私たちのビジョンを実現することを可能にしています。」
ECP を超えて、コードの速度と効率をさらに向上させ、アクセラレータ、融合などの幅広いアプリケーションに対応するために、さらに多くの作業が必要です。 「間違いはありません。WarpX の作業はまだ終わっていません」と Vay 氏は言います。 たとえば、AMR のより汎用的で堅牢な実装を含む、コードの精度と速度を向上させるために、新しいアルゴリズムに関する継続的な作業が必要です。
ECP WarpX 開発チーム
バークレー研究所
- アン・アルムグレン (co-PI)
- アリアナ・フォルメンティ
- マルコ・ガルテン
- ケビン・ゴット
- グ・ジュンミン
- アクセル・ヒューブル
- レバティ・ジャンブナタン
- ハンナ・クリオン
- プラバット・クマール
- レミ・レーエ
- アンドリュー・マイヤーズ
- ライアン・サンドバーグ
- オルガ・シャポヴァル
- マクサンス・テヴネ（現DESY）
- ジャン＝リュック・ベイ (PI)
- チャン・ウェイクン
- エドアルド・ゾーニ
ローレンス リバモア国立研究所
SLAC
(さらに、米国、ヨーロッパ、アジアの研究所、大学、業界団体からの寄稿者)
出典: キャシー・キンケード、ローレンス・バークレー国立研究所、ECP