GEAR-RT：基于任务并行与动态子循环、面向宇宙学模拟 Exa-规模矩封闭辐射转移的 SWIFT 实现

本文介绍并在开源代码 SWIFT 中实现了 GEAR-RT——一个使用 M1 闭合的辐射转移求解器，并利用辐射转移标准测试进行了验证。GEAR-RT 以 RAMSES-RT（Rosdahl 等，2013）为模型，但存在一些关键差异。首先，RAMSES-RT 使用有限体积法和自适应网格加密（AMR）策略，而 GEAR-RT 采用粒子作为离散化单元并使用有限体积粒子法（FVPM）求解方程。其次，GEAR-RT 利用了 SWIFT 的基于任务的并行化策略，其可实现优化的负载均衡、更高的缓存效率、异步通信以及基于工作量而非数据的域分解。GEAR-RT 能够相对于单个流体力学步执行辐射转移步的子循环。辐射所需的时间步长远小于流体力学，而子循环允许跳过非严格必要的计算。事实上，在一个包含引力、流体力学和辐射转移的测试用例中，子循环能够将模拟运行时间减少超过 90%。在涉及基于任务的并行时，仅允许部分相关物理被子循环化是一件复杂的事，且这是 SWIFT 中全新的特性。由于 GEAR-RT 使用 FVPM，本文详细介绍了有限体积法与有限体积粒子法。在天体物理论文中，有两种 FVPM 方法被提及：Hopkins（2015）在其 GIZMO 代码中实现了一种，而 Ivanova 等（2013）提到的那种迄今未被使用。本工作中，我测试了 Ivanova 等（2013）版本的实现，并得出结论：在其当前形式下，它不适用于与流体共动的粒子，而这正是宇宙学模拟的一项基本特性。