В экспериментах с лазерной плазмой, например, в Центре лазерных ускорителей Berkeley Lab (BELLA) и CEA Saclay – международном исследовательском центре во Франции, входящем в Комиссию по атомной энергии Франции, – очень большие электрические поля в плазме, которые ускоряют частицы. лучи высоких энергий на гораздо более короткие расстояния по сравнению с существующими ускорительными технологиями. Долгосрочная цель этих лазерно-плазменных ускорителей (LPA) – в один прекрасный день построить коллайдеры для исследований высоких энергий, но многие побочные эффекты уже разрабатываются. Например, LPA могут быстро вкладывать большое количество энергии в твердые материалы, создавая плотную плазму и подвергая это вещество экстремальным температурам и давлению.
Они также обладают потенциалом для управления лазерами на свободных электронах, которые генерируют световые импульсы длительностью всего лишь аттосекунды. Такие чрезвычайно короткие импульсы могут позволить исследователям наблюдать взаимодействия молекул, атомов и даже субатомных частиц в чрезвычайно короткие сроки.
Суперкомпьютерное моделирование становится все более важным для этого исследования, и Национальный вычислительный центр энергетических исследований (NERSC) лаборатории Беркли стал важным ресурсом в этих усилиях. Предоставляя исследователям доступ к физическим наблюдаемым, таким как орбиты частиц и излучаемые поля, которые трудно получить в экспериментах на чрезвычайно малых масштабах времени и длины, моделирование PIC сыграло важную роль в понимании, моделировании и управлении физическими экспериментами высокой интенсивности.
Но отсутствие кодов PIC, которые имеют достаточную точность вычислений для моделирования взаимодействия лазера с веществом при сверхвысоких интенсивностях, препятствует разработке новых источников света и частиц, создаваемых этим взаимодействием.
Эта задача побудила команду Berkeley Lab / CEA Saclay разработать новый инструмент моделирования, получивший название Warp + PXR, усилия, начатые во время первого раунда программы научных приложений NERSC Exascale (NESAP). Код сочетает в себе широко используемый 3D PIC code Warp с высокопроизводительной библиотекой PICSAR, совместно разработанной Berkeley Lab и CEA Saclay. Он также использует новый тип массивно-параллельного псевдоспектрального решателя, совместно разработанный Berkeley Lab и CEA Saclay, который значительно повышает точность моделирования по сравнению с решателями, обычно используемыми в исследованиях плазмы.
Фактически, без этого нового, хорошо масштабируемого решателя «моделирование, которое мы сейчас делаем, было бы невозможно», – сказал Жан-Люк Вэй, старший физик в лаборатории Беркли, который возглавляет программу моделирования ускорителей в лаборатории прикладной физики и ускорительных технологий. Разделение. «Как наша команда показала в предыдущем исследовании, этот новый спектральный решатель БПФ обеспечивает гораздо более высокую точность, чем может быть достигнута с помощью решателей с конечной разностью во временной области (FDTD), поэтому мы смогли достичь некоторых пространств параметров, которые были бы недоступны с помощью стандартных Решатели FDTD.«Этот новый тип спектрального решателя также лежит в основе алгоритма PIC следующего поколения с адаптивным уточнением сетки, который Вэй и его коллеги разрабатывают в новом коде Warp-X как часть U.S. Проект Exascale Computing Министерства энергетики.
2D- и 3D-моделирование и критичность
Вэй также является соавтором статьи, опубликованной 21 марта в Physical Review X, в которой сообщается о первом всестороннем исследовании механизмов взаимодействия лазера и плазмы с использованием Warp + PXR. Это исследование сочетало в себе современные экспериментальные измерения, проведенные на лазерной установке UHI100 в CEA Saclay, с новейшими 2D и 3D моделированиями, выполненными на суперкомпьютере Cori в NERSC и системах Mira и Theta в Argonne Leadership Computing Facility в Аргонне. Национальная лаборатория.
Это моделирование позволило команде лучше понять механизмы связи между сверхинтенсивным лазерным светом и созданной им плотной плазмой, что дало новое понимание того, как оптимизировать сверхкомпактные источники частиц и света. Тесты с Warp + PXR показали, что код масштабируется до 400000 ядер на Cori и 800000 ядер на Mira и может ускорить время решения на целых три порядка для задач, связанных с физическими экспериментами сверхвысокой интенсивности.
«Мы не можем последовательно повторить или воспроизвести то, что произошло в эксперименте, с помощью 2D-моделирования – для этого нам нужно 3D», – сказал соавтор Генри Винченти, ученый из группы физики высоких интенсивностей в CEA Saclay.
Винченти руководил теоретической работой и моделированием для нового исследования и был научным сотрудником Марии Кюри в лаборатории Беркли в группе Вэя, где он впервые начал работать над новым кодом и решателем. "Трехмерное моделирование также было очень важным для того, чтобы иметь возможность сравнивать точность, обеспечиваемую новым кодом, с экспериментами."
Для эксперимента, описанного в статье Physical Review X, исследователи CEA Saclay использовали фемтосекундный лазерный луч высокой мощности (100TW) на установке CEA UHI100, сфокусированный на мишени из диоксида кремния для создания плотной плазмы. Кроме того, для изучения взаимодействия лазера с плазмой во время эксперимента были применены две диагностики – сцинтилляционный экран Lanex и спектрометр крайнего ультрафиолета.
Инструменты диагностики представляли дополнительные проблемы, когда дело доходило до изучения шкалы времени и длины во время эксперимента, что снова делало моделирование критически важным для выводов исследователей.
«Часто в экспериментах такого типа вы не можете получить доступ к задействованным шкалам времени и длины, особенно потому, что в экспериментах на вашу цель воздействует очень интенсивное лазерное поле, поэтому вы не можете поставить какую-либо диагностику рядом с целью», – сказал Фабьен Кер. , ученый-исследователь, который возглавляет экспериментальную программу в CEA и является соавтором статьи PRX. «В экспериментах такого рода мы смотрим на объекты, испускаемые целью, находящейся далеко – 10, 20 см – и происходящие в реальном времени, по сути, в то время как физика находится в микронном или субмикронном масштабе и субфемтосекундном масштабе во времени. Итак, нам нужны симуляции, чтобы понять, что происходит в эксперименте."
«Моделирование из первых принципов, которое мы использовали для этого исследования, дало нам доступ к сложной динамике взаимодействия лазерного поля с твердой мишенью на уровне детализации орбит отдельных частиц, что позволило нам лучше понять, что происходило в эксперименте, "Винченти добавил.
Эти очень большие симуляции с помощью спектрального решателя БПФ сверхвысокой точности стали возможны благодаря сдвигу парадигмы, введенному в 2013 году Ваем и его сотрудниками. В исследовании, опубликованном в Journal of Computational Physics, они отметили, что при решении зависящих от времени уравнений Максвелла стандартный метод распараллеливания БПФ (который является глобальным и требует связи между процессорами во всей области моделирования) может быть заменен областью декомпозиция с локальным БПФ и обменом данными, ограниченными соседними процессорами. Помимо обеспечения более благоприятного сильного и слабого масштабирования на большом количестве компьютерных узлов, новый метод также более энергоэффективен, поскольку сокращает количество коммуникаций.
«При использовании стандартных алгоритмов БПФ вам необходимо осуществлять обмен данными по всей машине», – сказал Вэй. «Но новый решатель спектрального БПФ позволяет сэкономить как время, так и энергию компьютера, что имеет большое значение для вводимых новых суперкомпьютерных архитектур."
Другие члены команды, участвовавшие в последнем исследовании, и соавторы новой статьи PRX: Максенс Тевенет, исследователь, получивший докторскую степень, чей вклад также был важен для объяснения результатов эксперимента; Гийом Блаклард, сотрудник лаборатории Беркли, работает над своей докторской диссертацией.D. в CEA Saclay и выполнил многие модели, о которых сообщалось в этой работе; Pr. Ги Бонно, старший научный сотрудник CEA, чей вклад был важен для понимания результатов моделирования; и ученые CEA Людовик Шопино, Адриен Леблан, Адриен Деноуд и Филипп Мартен, которые разработали и провели очень сложный эксперимент на UHI100 под руководством Фабьена Кере.
NERSC – это учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
Дополнительную поддержку этому исследованию оказала программа Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE).