Une équipe germano-italienne accélère un programme de simulation de turbulence tokamak

Récemment, des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique des plasmas (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP) en Allemagne et de l'École polytechnique de Milan en Italie ont conjointement rendu public un résultat de recherche sur la simulation de fusion, réussissant à refondre le programme traditionnel TRIMEG-C1 en TRIMEG++, et à migrer pour la première fois l'ensemble des principaux modules de calcul vers des processeurs graphiques (GPU), offrant ainsi une solution logicielle efficace pour élargir l'échelle de simulation numérique des dispositifs tokamak.

La simulation de turbulence tokamak nécessite de suivre et de mettre à jour en temps réel l'état de mouvement d'un grand nombre de particules de calcul ; en projetant précisément les informations des particules sur la grille et en résolvant les équations complexes des champs électromagnétiques, le coût de calcul augmente de manière non linéaire avec l'extension de l'échelle de simulation. À cette fin, l'équipe de recherche a réussi à migrer la charge de calcul à l'aide des directives OpenMP, et s'appuie sur le backend GPU de la bibliothèque logicielle PETSc pour traiter les équations de champ, permettant aux modules de calcul intensif essentiels tels que la propulsion des particules, la projection des particules et la résolution des champs de s'exécuter efficacement en parallèle sur les dispositifs d'accélération.

Dans les tests de performance du cas de référence TCV-X21, les chercheurs ont utilisé comme base de comparaison des performances un nœud traditionnel équipé de deux processeurs totalisant 256 cœurs de calcul. Les tests montrent qu'un nœud équipé de deux AMD MI300A atteint une accélération significative de 4,1 à 6,1 fois pour l'ensemble de la simulation, tandis qu'un nœud équipé de quatre NVIDIA A100 atteint une accélération de 2,1 à 3,0 fois. Les tests révèlent également que, à mesure que le nombre de particules de calcul augmente, l'effet de l'accélération matérielle devient plus prononcé, et que la disposition de la mémoire et les modes de transfert de données des différentes architectures matérielles ont un impact important sur les performances globales du programme.

Tout en garantissant un saut considérable des performances de calcul, l'équipe de recherche a comparé en profondeur les résultats de sortie des différentes plateformes de calcul, vérifié rigoureusement la cohérence numérique après la migration du programme, et testé l'évolution des instabilités du plasma dans des cas complexes avec et sans régions de lignes de champ magnétique ouvertes. Cette recherche combine organiquement des tests de performance de calcul remarquables avec une validation rigoureuse des grandeurs physiques, jetant ainsi une base logicielle de calcul essentielle pour la conception virtuelle et la prédiction d'expériences physiques des futurs dispositifs de fusion à très grande échelle.