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Complexity analysis and scalability of a matrix-free extrapolated geometric multigrid solver for curvilinear coordinates representations from fusion plasma applications

Leleux, Philippe und Schwarz, Christina und Kühn, Martin Joachim und Kruse, Carola und Rüde, Ulrich (2023) Complexity analysis and scalability of a matrix-free extrapolated geometric multigrid solver for curvilinear coordinates representations from fusion plasma applications. Journal of Scientific Computing. Springer. ISSN 0885-7474. (eingereichter Beitrag)

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Kurzfassung

Tokamak fusion reactors are promising alternatives for future energy production. Gyrokinetic simulations are important tools to understand physical processes inside tokamaks and to improve the design of future plants. In gyrokinetic codes such as Gysela, these simulations involve at each time step the solution of a gyrokinetic Poisson equation defined on disk-like cross sections. The authors of [KKR21,KKR22] proposed to discretize a simplified differential equation using symmetric finite differences derived from the resulting energy functional and to use an implicitly extrapolated geometric multigrid scheme tailored to problems in curvilinear coordinates. In this article, we extend the discretization to a more realistic partial differential equation and demonstrate the optimal linear complexity of the proposed solver, in terms of computation and memory. We provide a general framework to analyze flops and memory usage of matrix-free approaches for stencil-based operators. Finally, we give an efficient matrix-free implementation fo the considered solver exploiting a task-based multithreaded parallelism which takes advantage of the disk-shaped geometry of the problem. We demonstrate the parallel efficiency for the solution of problems of size up to 50 million unknowns.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/201544/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Complexity analysis and scalability of a matrix-free extrapolated geometric multigrid solver for curvilinear coordinates representations from fusion plasma applications
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Leleux, PhilippeLaboratoire d’Analyse et d’architecture des Systèmes (LAAS), équipe TSF, 7, avenue du Colonel Roche BP 54200, 31031 Toulouse cedex 4, Francehttps://orcid.org/0000-0002-3760-4698NICHT SPEZIFIZIERT
Schwarz, Christinachristina.schwarz (at) uni-bayreuth.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kühn, Martin JoachimMartin.Kuehn (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0906-6984NICHT SPEZIFIZIERT
Kruse, CarolaParallel Algorithms Team, CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique), 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 01, Francehttps://orcid.org/0000-0002-4142-7356NICHT SPEZIFIZIERT
Rüde, UlrichLehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation), Universität Erlangen-Nürnberg, Nürnberghttps://orcid.org/0000-0001-8796-8599NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Dezember 2023
Erschienen in:Journal of Scientific Computing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Verlag:Springer
ISSN:0885-7474
Status:eingereichter Beitrag
Stichwörter:Multigri, complexity, curvilinear coordinates, parallelization, multithreading, Plasma fusion
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Aufgaben SISTEC
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie > High-Performance Computing
Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Kühn, Dr. Martin Joachim
Hinterlegt am:05 Feb 2024 08:35
Letzte Änderung:05 Feb 2024 08:35

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