Running kinetic simulations using grid-based methods is extremely expensive due to the up to six-dimensional phase space. Recently, it has been shown that dynamical low-rank algorithms can drastically reduce the required computational effort, while still accurately resolving important physical features such as filamentation and Landau damping. In this paper, we introduce the Ensign software framework, which facilitates the efficient implementation of dynamical low-rank algorithms on modern multi-core CPU as well as GPU based systems. In particular, we illustrate its features with the help of a first-order projector-splitting integrator. Then, we propose a new second-order projector-splitting based dynamical low-rank algorithm for the full six-dimensional Vlasov--Poisson equations and implement it using our software framework. An exponential integrator based Fourier spectral method is employed to obtain a numerical method that is unconditionally stable but fully explicit. The presented numerical results demonstrate that 6D simulations can be run on a single workstation, as well as highlight the significant speedup that can be obtained using GPUs.


翻译:使用基于网格的方法进行动能模拟非常昂贵, 因为有六维空间。 最近, 已经显示动态低级算法可以大幅降低所需的计算工作, 同时仍然准确地解决重要的物理特征, 如丝状和Landau 拖动等。 在本文中, 我们引入了 Exign 软件框架, 这有助于在现代多核心 CPU 和基于 GPU 的系统中高效实施动态低级算法。 特别是, 我们借助于一阶投影器分离集成器, 演示了它的特点。 然后, 我们为完整的六维Vlasov- Poisson 方程式提议一个新的基于二阶投影器的低级分级投影器, 并使用我们的软件框架执行它。 使用基于 Fourier 光谱法的指数化器, 以获得一个无条件稳定但完全清晰的数字方法。 所提供的数字结果显示, 6D 模拟可以在一个工作站上运行, 并突出使用 GPU 可以获得的重大速度 。

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