天河新一代超级计算机应用成果报道——面向高计算密度型超算系统的回旋动理学模拟程序异构开发及优化
随着人类日益增长的能源需求和不可再生资源的枯竭，核聚变能源由于其清洁性和安全性作为解决长期能源需求的解决方案，越来越受到人类社会的关注，目前正在建设中的国际热核实验反应堆（ITER）是实现核聚变能和平应用的重要里程碑。数值模拟是等离子体稳定性研究中的关键方法之一，有助于理解燃烧等离子体运行模式，改善等离子体约束和输运，是设计和制造先进的核聚变装置的重要依据。
国际热核实验反应堆（ITER）计划
国内磁约束聚变实验装置
聚变反应产物Alpha粒子的约束和输运研究是磁约束聚变能否成功的关键因素，基于PIC算法的数值模拟中Alpha粒子的运动可以由动理学离子的运动表示，其运动描述中的回旋平均操作对于网格数据的非规则访存十分频繁，对访存性能提出了很高的要求。以前受限于算力，难以开展系统性的研究工作。天河新一代超级计算机的计算性能为该研究提供了可能，而高计算密度设备和访存密集型特性程序之间存在的矛盾使其成为重要的高性能计算研究方向。
国家超级计算天津中心的李青峰和李跃岩工程师基于天河新一代超级计算机，以中国科学院物理研究所所张文禄教授开发的国产自主程序VirtEx为示例，研究以聚变产物Alpha粒子为代表的回旋动理学数值模拟在高计算密度型超算上的开发及优化问题。文章中设计并实施了一些优化方法，如中间变量的即时计算、定制化的软件缓存设计、缓存空间局部性优化、热点函数合并，以减少热点函数的内存访问总量。在热点函数"Push"、"Locate"和"Charge"上分别有10.9、13.3和16.2倍的速度提升，其中"Push"函数的计算密度通过优化从1.6提升到106.4。同时在弱扩展性测试中，3840个节点的5,898,240个加速核上显示了良好的扩展性，并行效率为88.4％。
极面电势快照
弱扩展性测试结果
面向天河新一代超级计算机系统的回旋动理学模拟程序的异构开发及优化工作，从高性能计算角度，该研究有效解决了高计算密度系统和访存密集型程序之间存在的矛盾，为针对访存密集型程序的异构移植和应用提供了诸如片上内存softcache设计，中间变量即时计算等解决方案，为国产新一代自主超算架构提供了有效的应用场景；与此同时，从磁约束聚变研究领域，该成果使得基于PIC算法研究聚变反应产物Alpha粒子的约束和输运成为可能，使得新一代超算平台能够成为重要科研辅助工具。
同时，基于该成果撰写的论文“面向高计算密度型超算系统的回旋动理学模拟程序异构开发及优化”在HPC CHINA 2023年会上获得优秀论文奖。
注1：国家超级计算天津中心积极探索在清洁能源领域发展，与聚变能源领域内的重点科研单位均建立了深远的合作关系，在资源服务、项目合作、科学研究和工程化探索方面均取获得业内认可，是良好的科研合作伙伴。 注2：ITER计划是我国迄今为止第一个以完全平等、独立成员身份参加的最大的大科学工程国际合作项目，其目的是实现受控热核聚变反应，集成验证和平利用聚变能的科学技术可行性，为实现聚变能源商业化应用奠定科学和技术基础。