GX：面向托卡马克与仿星器设计的GPU原生回旋动力学湍流代码

GX是一个求解磁化等离子体（特别是托卡马克与仿星器）中低频湍流的 nonlinear 回旋动力学系统的代码。在GX中，我们的主要动机与目标是一个快速的回旋动力学求解器，可用于聚变反应堆设计与优化以及广泛的物理探索。这导致了若干代码与算法设计决策， specifically chosen 以优先缩短求解时间。首先，我们采用了在整个相空间均为伪谱的离散化算法，包括速度空间的Laguerre-Hermite伪谱形式，其允许在粗粒度的类回旋流体分辨率与更细的传统回旋动力学分辨率之间平滑插值，并高效计算模型碰撞算子。此外，我们将GX构建为原生面向图形处理器（GPU）——当今最快的计算平台之一。最后，我们利用小$\rho_*$的堆相关极限，采用径向局域通量管方法。本文给出GX中回旋动力学系统及所用数值算法的细节。随后，我们在托卡马克与仿星器磁几何下针对既有回旋动力学代码进行了若干数值基准测试，以验证GX正确模拟了小$\rho_*$极限下的回旋动力学湍流。此外，我们展示了Laguerre-Hermite谱速度形式对关注的非线性问题具有相当有利的收敛特性。结合我们也通过缩放研究考察的GPU加速，这使得GX能够在一块（或少数几块）GPU上于数分钟内产生有用的湍流模拟。GX是已就绪用于聚变反应堆设计研究的开源软件。