由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和CEA Saclay研究人員開發(fā)的一種新三維細(xì)胞內(nèi)粒子(PIC)模擬工具，使激光/等離子體耦合機(jī)制的前沿模擬成為可能，這些機(jī)制以前是等離子體研究中使用標(biāo)準(zhǔn)PIC代碼所無法實(shí)現(xiàn)的。

更詳細(xì)地了解這些機(jī)制對于開發(fā)超緊湊粒子加速器和光源至關(guān)重要，這些加速器和光源可以更有效、更經(jīng)濟(jì)地解決醫(yī)學(xué)、工業(yè)和基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)。在激光等離子體實(shí)驗(yàn)中，如伯克利實(shí)驗(yàn)室激光加速器(BELLA)中心和CEA saclaye(法國原子能委員會(huì)下屬的法國國際研究機(jī)構(gòu))實(shí)驗(yàn)中，等離子體內(nèi)部的電場非常大。

與現(xiàn)有加速器技術(shù)相比，等離子體可以在更短的距離內(nèi)將粒子束加速到高能。這些激光等離子體加速器(LPAs)的長期目標(biāo)是有朝一日為高能研究建造對撞機(jī)，但許多衍生品已經(jīng)被開發(fā)出來。例如，LPAs可以迅速將大量能量沉積到固體材料中，形成致密等離子體，并使其承受極端的溫度和壓力。它們還具有驅(qū)動(dòng)自由電子激光器的潛力，這種激光器產(chǎn)生的光脈沖僅持續(xù)阿秒。這種極短的脈沖可以使研究人員在極短時(shí)間尺度內(nèi)觀察分子、原子甚至亞原子粒子之間的相互作用。超級計(jì)算機(jī)模擬對這項(xiàng)研究越來越重要，伯克利實(shí)驗(yàn)室國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)已經(jīng)成為這項(xiàng)研究的重要資源。

PIC模擬為研究人員提供了在極短時(shí)間和極短時(shí)間尺度下難以獲得的物理觀測數(shù)據(jù)，如粒子軌道和輻射場。PIC模擬在理解、建模和指導(dǎo)高強(qiáng)度物理實(shí)驗(yàn)方面發(fā)揮了重要作用。但是，由于PIC編碼缺乏足夠的計(jì)算精度來模擬超高強(qiáng)度下的激光-物質(zhì)相互作用，阻礙了這種相互作用產(chǎn)生的新型粒子和光源發(fā)展。這一挑戰(zhàn)促使伯克利實(shí)驗(yàn)室/CEA Saclay團(tuán)隊(duì)開發(fā)了他們新的模擬工具，稱為Warp+PXR，這是NERSC百億級科學(xué)應(yīng)用程序(NESAP)第一輪啟動(dòng)的工作。該代碼結(jié)合了廣泛使用的三維PIC代碼翹曲與伯克利實(shí)驗(yàn)室和CEA Saclay共同開發(fā)的高性能庫PICSAR。

它還利用了伯克利實(shí)驗(yàn)室和CEA Saclay聯(lián)合開發(fā)的一種新型大規(guī)模并行偽光譜求解器，與通常用于等離子體研究的求解器相比，這種新型偽光譜求解器大大提高了模擬的準(zhǔn)確性。伯克利實(shí)驗(yàn)室資深物理學(xué)家Jean-Luc Vay是實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用物理和加速器技術(shù)部門加速器建模項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人說：正如團(tuán)隊(duì)在之前的研究中所顯示，這種新FFT光譜求解器比有限差分時(shí)域(FDTD)求解器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精度，因此我們能夠達(dá)到一些標(biāo)準(zhǔn)FDTD求解器無法達(dá)到的參數(shù)空間。這種新型光譜解算器也是下一代PIC算法的核心，該算法具有自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化，Vay和同事正在開發(fā)新的Warp-X代碼，作為美國能源部百億次計(jì)算項(xiàng)目的一部分。

二維和三維模擬都很關(guān)鍵

Vay也是發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)上論文的作者之一，該論文首次全面研究了使用Warp+PXR的激光等離子體耦合機(jī)制。這項(xiàng)研究結(jié)合了在CEA Saclay的UHI100激光設(shè)備上進(jìn)行的最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測量，以及在NERSC的Cori超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的最先進(jìn)二維和三維模擬，以及在Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Argonne領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施上運(yùn)行的Mira和Theta系統(tǒng)。這些模擬使團(tuán)隊(duì)能夠更好地理解超強(qiáng)激光和它所產(chǎn)生高密度等離子體之間的耦合機(jī)制，為如何優(yōu)化超緊湊粒子和光源提供了新的見解。

Warp+PXR的基準(zhǔn)測試表明，該代碼可擴(kuò)展到Cori上的40萬核和Mira上的80萬核，并可將解決超高強(qiáng)度物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題的時(shí)間提高三個(gè)數(shù)量級。CEA Saclay高強(qiáng)度物理小組的科學(xué)家、論文合著者亨利·文森提說：我們不能一直用二維模擬重復(fù)或再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的事情，需要三維模擬。Vincenti領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)新研究的理論/模擬工作，并且是Vay團(tuán)隊(duì)中伯克利實(shí)驗(yàn)室的Marie Curie博士后研究員，在那里他第一次開始研究新的代碼和求解器。3d模擬對于將新代碼帶來的準(zhǔn)確性與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，也非常重要。在《物理評論X》(Physical Review X)上發(fā)表的論文中：

CEA Saclay的研究人員在CEA的UHI100設(shè)備上使用了一束高功率(100TW)飛秒激光束，聚焦在二氧化硅靶上，創(chuàng)建了一個(gè)高密度等離子體。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，采用了Lanex閃爍屏和紫外分光計(jì)兩種診斷方法來研究激光與等離子體的相互作用。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，當(dāng)研究時(shí)間和長度尺度時(shí)，診斷工具帶來了額外挑戰(zhàn)，這再次使得模擬對研究人員的發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。研究科學(xué)家法比安·奎爾(Fabien Quere)說：通常在這類實(shí)驗(yàn)中，無法獲得所涉及的時(shí)間和長度尺度，尤其是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，目標(biāo)上有一個(gè)非常強(qiáng)的激光場，所以不能把任何診斷放在離目標(biāo)很近的地方。

在這類實(shí)驗(yàn)中，觀察是距離目標(biāo)很遠(yuǎn)的物體發(fā)射出來，它們實(shí)際上是實(shí)時(shí)發(fā)生，而物理學(xué)是在微米、亞微米和亞飛秒尺度上的時(shí)間，所以我們需要模擬來解釋實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了什么。Vincenti說：在這項(xiàng)研究中使用的第一性原理模擬使我們能夠了解激光場與固體目標(biāo)相互作用的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)，在單個(gè)粒子軌道的細(xì)節(jié)水平上，這使我們能夠更好地理解實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了什么。由于Vay和合作者引入了范式轉(zhuǎn)換，這些使用超高精度光譜FFT求解器的非常大的模擬成為可能。

在發(fā)表于《計(jì)算物理》(Journal of Computational Physics)上的一項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)，在求解與時(shí)間相關(guān)的麥克斯韋方程時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的FFT并行化方法(是全局的，需要處理器之間跨整個(gè)模擬域進(jìn)行通信)可以被局部FFT的域分解所取代，通信僅限于相鄰處理器。除了在大量計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)更有利的強(qiáng)伸縮性和弱伸縮性之外，新方法還更節(jié)能，因?yàn)樗鼫p少了通信。使用標(biāo)準(zhǔn)的FFT算法，需要在整個(gè)機(jī)器上進(jìn)行通信，但新的光譜FFT求解器可以節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)間和能源，這對于正在推出的新型超級計(jì)算架構(gòu)來說是一件大事。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊文獻(xiàn):《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011050

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美