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Memory- and compute-optimized geometric multigrid GMGPolar for curvilinear coordinate representations -- Applications to fusion plasma

Litz, Julian und Leleux, Philippe und Kruse, Carola und Gedicke, Joscha und Kühn, Martin Joachim (2025) Memory- and compute-optimized geometric multigrid GMGPolar for curvilinear coordinate representations -- Applications to fusion plasma. Journal of Computational and Applied Mathematics. Elsevier. ISSN 0377-0427. (eingereichter Beitrag)

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich bis April 2027 - Preprintversion (eingereichte Entwurfsversion)
3MB

Kurzfassung

Tokamak fusion reactors are actively studied as a means of realizing energy production from plasma fusion. However, due to the substantial cost and time required to construct fusion reactors and run physical experiments, numerical experiments are indispensable for understanding plasma physics inside tokamaks, supporting the design and engineering phase, and optimizing future reactor designs. Geometric multigrid methods are optimal solvers for many problems that arise from the discretization of partial differential equations. It has been shown that the multigrid solver GMGPolar solves the 2D gyrokinetic Poisson equation in linear complexity and with only small memory requirements compared to other state-of-the-art solvers. In this paper, we present a completely refactored and object-oriented version of GMGPolar which offers two different matrix-free implementations. Among other things, we leverage the Sherman-Morrison formula to solve cyclic tridiagonal systems from circular line solvers without additional fill-in and we apply reordering to optimize cache access of circular and radial smoothing operations. With the Give approach, memory requirements are further reduced and speedups of four to seven are obtained for usual test cases. For the Take approach, speedups of 16 to 18 can be attained. In an additionally experimental setup of using GMGPolar as a preconditioner for conjugate gradients, this speedup could even be increased to factors between 25 and 37.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/217525/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Memory- and compute-optimized geometric multigrid GMGPolar for curvilinear coordinate representations -- Applications to fusion plasma
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Litz, Julianjulian.litz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Leleux, PhilippeLAAS, Toulouse, Francehttps://orcid.org/0000-0002-3760-4698NICHT 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
Gedicke, JoschaUniversität BonnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kühn, Martin JoachimMartin.Kuehn (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0906-6984NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2025
Erschienen in:Journal of Computational and Applied Mathematics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Verlag:Elsevier
ISSN:0377-0427
Status:eingereichter Beitrag
Stichwörter:Multigrid, fusion plasma, parallel computing, high-performance computing, tokamak, GMGPolar
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
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Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie > High-Performance Computing
Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Kühn, Dr. Martin Joachim
Hinterlegt am:03 Dez 2025 09:43
Letzte Änderung:03 Dez 2025 09:43

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