Understanding Large-Scale Plasma Simulation Challenges for Fusion Energy on Supercomputers

理解等离子体不稳定性对于实现可持续的核聚变能是至关重要的，大规模等离子体模拟在下一代聚变能设备的设计和开发以及工业等离子体建模中发挥着至关重要的作用。为了实现可持续的核聚变能，必须准确地模拟和预测极端条件下的等离子体行为，需要能够捕捉等离子体动力学、磁场和材料表面之间复杂相互作用的复杂模拟代码。在本研究中，我们进行了对两个著名的等离子体模拟代码BIT1和JOREK的全面HPC分析，以推进在聚变能应用中了解等离子体行为的理解。我们的重点是评估JOREK在托卡马克聚变设备中模拟非线性MHD现象的计算效率和可伸缩性。这项工作的动机源于迫切需要推进我们对磁约束聚变设备中等离子体不稳定性的理解。提高JOREK在超级计算机上的性能可以提高聚变等离子体代码的可预测性，从而实现更准确的建模和更快的聚变设计优化，从而为可持续的核聚变能做出贡献。在之前的研究中，我们分析了BIT1，这是一种用于研究聚变设备中等离子体-材料相互作用的大规模并行粒子模拟（PIC）代码。我们对BIT1在先进超级计算架构上的计算需求和可扩展性进行了调查，得出了有价值的见解。通过详细的分析和性能分析，我们已经确定了主要的瓶颈并实施了优化策略，显著提高了并行性能。这项先前的工作为我们目前的努力奠定了基础。

本文旨在通过对两个著名等离子体模拟代码BIT1和JOREK进行综合HPC分析，以推进对聚变能等离子体行为的理解。重点评估JOREK在托卡马克聚变设备中模拟非线性MHD现象的计算效率和可伸缩性。

通过对JOREK的性能进行优化，提高聚变等离子体代码的可预测性，从而实现更准确的建模和更快速的聚变设计优化，为可持续聚变能做出贡献。

本文前期的研究基于BIT1，通过详细的分析和性能优化策略，显著提高了并行性能。本文的实验设计和使用的数据集并未在摘要中提及。

最近的相关研究未在摘要中提及。