将基于网格的3D+3V混合Vlasov动力学等离子体模拟程序Vlasiator移植到异构GPU架构

Vlasiator是一个空间等离子体模拟程序，用于模拟近地离子动理学在三个空间维度和三个速度维度上的动力学。它具有高度并行性，通过分布函数直接模拟Vlasov方程，该分布函数在笛卡尔网格上离散化，而不是更常见的粒子网格方法。在模拟近地空间时，等离子体属性在温度、密度和磁场强度上跨越数个数量级。为了在内存中容纳所需的六维网格，Vlasiator利用了一种基于稀疏块的速度网格，其中速度空间的块根据Vlasov求解器的平流需求进行添加或删除。此外，空间网格通过基于单元的八叉树细化进行自适应细化。在本文中，我们描述了将Vlasiator移植到异构CPU/GPU架构的设计选择。我们详细介绍了内存管理、算法更改和内核构建，以及我们统一的代码库方法，从而实现了对NVIDIA和AMD硬件（分别是CUDA和HIP语言）的可移植性。特别是，我们展示了一种高度并行的块调整方法，允许对稀疏速度网格进行高效重排序。我们详细介绍了已克服的陷阱，并制定了优化计划，以促进未来使用多节点GPU超级计算进行百亿亿次模拟。