面向电动力学等离子体模拟的大规模并行高性能可移植粒子-in-Cell方案比较
摘要
我们在电动力学 Vlasov-Poisson 系统的背景下比较不同的泊松求解器。这些方案作为 IPPL(Independent Parallel Particle Layer) 库的一部分实现( Frey 等，2024），为需要粒子-网格方法的科学仿真提供性能可移植且维度无关的构建模块，包含Euler(网格基)和Lagrangian(粒子基)方法。用于比较仿真性能和可移植性的仿真为 Landau 衰减，是一组 mini-applications，用于基准测试和展示 IPPL 库(Muralikrishnan 等，2024）的能力。我们使用 和 的网格，每个单元 8 个粒子，在 Particle-in-Cell(PIC) 循环的求解阶段使用不同算法：Fast Fourier Transform(FFT) 伪谱求解器、矩阵无 finite difference Preconditioned Conjugate Gradient(PCG) 求解器，以及矩阵无 Finite Element(FEM) 求解器。我们还将这些 PIC 方案与 novel Particle-in-Fourier(PIF) 方案进行比较，后者使用非均匀 FFT 实现插值，从而避免在实际空间中的网格。我们在不同计算架构上获得结果，包括 AMD GPU( CSC 的 LUMI)和 Nvidia GPU( CSCS 的 Alps 和 J"ulich Supercomputing Center 的 JUWELS Booster)，展示了可移植性。在绝对时间上 FFT 求解器具有优势，但其适用性受限。所有其他 PIC 方案中的场求解器在时间上都比 FFT 方案贵一个数量级，但在电动力学 PIC 上下文中具有相似的扩展性。PIF 方案是标准 PIC 的高保真替代方案，虽然比 FFT 基于 PIC 的方案更昂贵，但在所有架构上都表现出优异的可扩展性。
引用
@article{arxiv.2605.05469,
title = {A Comparison of Massively Parallel Performance Portable Particle-in-Cell schemes for electrostatic kinetic plasma simulations},
author = {Sonali Mayani and Paul Fischill and Sriramkrishnan Muralikrishnan and Andreas Adelmann},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.05469},
year = {2026}
}
备注
This paper has been accepted at the Platform for Advanced Scientific Computing Conference (PASC 26), June 29-July 1, 2026, Bern, Switzerland