Implementation of the modern plasma simulation codes via pic method for parallel computing systems

Abstract

The comparison of common open source software for the simulation of plasma via particles-in-cell (PIC) method using parallel computing systems is presented. The problems of field equation solving, load balancing, general-purpose computing on graphics processing units are considered. All the reviewed programs have some disadvantages, in particular associated with the used field solving methods, data caching and with lack of the adaptive grids support. The approach for cache misses minimizing based on the particles sorting is brought forward. The algorithm for effective Poisson solving is proposed.

Проведено сравнение распространённых программ с открытым исходным кодом для моделирования плазмы методом частиц в ячейках на параллельных вычислительных системах. В частности, рассмотрены вопросы решения уравнений поля, динамической балансировки и вычислений на графических ускорителях. Отмечены недостатки существующих программ: отсутствие эффективных методов решения электростатической задачи (уравнения Пуассона), неоптимальное использование кеширования, проблема моделирования существенно неоднородной плазмы. Рассмотрено влияние промахов кэша на производительность PIC-кодов. Предложен способ минимизации промахов путём периодической сортировки частиц в двухмерном пространстве. Предложен подход к эффективному параллельному решению уравнения Пуассона.

Виконано порівняння поширених програм із відкритим вихідним кодом для моделювання плазми методом частинок у комірках на паралельних обчислювальних системах. Розглянуто питання розв’язку рівнянь поля, динамічного балансування та обчислень на графічних прискорювачах. Відзначено недоліки існуючих програм: відсутність ефективних методів рішення електростатичної задачі (рівняння Пуассона), неоптимальне використання кешування, проблема моделювання суттєво неоднорідної плазми. Розглянуто вплив промахів кеша на продуктивність PIC-кодів. Запропоновано спосіб мінімізації промахів шляхом періодичного сортування частинок у двовимірному просторі. Запропоновано підхід до ефективного паралельного розв’язання рівняння Пуассона.