中国科大在新一代神威超级计算机上首次实现 EAST 和 CFETR 聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟

IT 之家 12 月 3 日消息，据中国科大官网，当地时间 11 月 16 日，中国科大入围国际戈登・贝尔奖评选的超算应用成果 ，参加了在美国密苏里州圣路易斯召开的全球超级计算大会（SC21）的线上答辩，报告了中国科大在新一代神威超级计算机上首次实现 EAST（先进实验超导托卡马克）和 CFETR（中国聚变工程试验堆）"聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟"。

IT之家了解到，该项成果由核科学技术学院肖建元副研究员课题组与计算机科学与技术学院安虹教授课题组联合攻关，在中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、国家超级计算无锡中心、北京大学和郑州大学相关研究人员的紧密配合下完成。

▲ 对 EAST 和 CFETR 全装置等离子体演化模拟结果

据介绍，目前，在受控聚变领域最主流的磁约束 Tokamak 装置中，由于中心等离子体温度需要达到一亿度以上，而外部约束超导磁体则需要在接近绝对零度的环境中，超高的温度与压强梯度会驱动各种等离子体中的不稳定性从而破坏约束。如何更精确地模拟磁约束等离子体长时间演化以便设计更经济而约束性能更好的 Tokamak 装置一直是一个难点。

中国科大与中科院数学与系统科学研究院合作，基于上世纪 80 年代由我国数学家冯康提出的保辛结构算法理论，发展了一套针对等离子体带电粒子-电磁场系统具有长期守恒性质的显式高阶非正则辛 Particle-in-Cell 格式；自主设计了 SymPIC 等离子体带电粒子-电磁场系统的大规模保结构动理学数值模拟软件；通过在算法、软件栈和自动向量化等方面进行一系列关键技术创新，在新一代神威超级计算机首次对 EAST（由等离子体所自行设计研制的国际首个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置）和 CFETR 全装置等离子体演化实现了最大规模的长时间高保真模拟，已用于计算波在等离子体中的传播、电流驱动、随机加热等现象并获得了比传统算法更加可靠的非线性长期结果。

中国科大表示，与同类但传统的 PIC 模拟软件相比，SymPIC 软件具有无可比拟的长期数值稳定性优势，克服了一直困扰传统 PIC 模拟软件中的数值自加热问题。由于辛算法相关的研究非常前沿，并且我们使用了自主研发的领域专用语言及软件栈优化技术，国际上尚无同类的商业软件，只有少数研究组有自己的程序，但效率、可扩展性均无法与我们的程序相比。该软件适用于研究等离子体动理学复杂演化，目前主要用于研究高温 Tokamak 等离子体的边界湍流、不稳定性、输运、非线性波加热等问题。未来随着超级计算机算力达到 10E 级，模拟的分辨率将进一步提升，我们可以把研究扩展到更强磁场的 Tokamak 等离子体，探索强磁场中的反常输运、不稳定性等重要问题，研究燃烧等离子体科学中以前无法解决的新问题，描述等离子体放电从启动到终止的整个演化过程。

论文链接：

• https://doi.org/10.1145/3458817.3487398

• https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/abc297/meta

• https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac2d57/meta