We propose a matrix-free solver for the numerical solution of the cardiac electrophysiology model consisting of the monodomain nonlinear reaction-diffusion equation coupled with a system of ordinary differential equations for the ionic species. Our numerical approximation is based on the high-order Spectral Element Method (SEM) to achieve accurate numerical discretization while employing a much smaller number of Degrees of Freedom than first-order Finite Elements. We combine sum-factorization with vectorization, thus allowing for a very efficient use of high-order polynomials in a high performance computing framework. We validate the effectiveness of our matrix-free solver in a variety of applications and perform different electrophysiological simulations ranging from a simple slab of cardiac tissue to a realistic four-chamber heart geometry. We compare SEM to SEM with Numerical Integration (SEM-NI), showing that they provide comparable results in terms of accuracy and efficiency. In both cases, increasing the local polynomial degree $p$ leads to better numerical results and smaller computational times than reducing the mesh size $h$. We also implement a matrix-free Geometric Multigrid preconditioner that entails better performance in terms of linear solver iterations than state-of-the-art matrix-based Algebraic Multigrid preconditioners. As a matter of fact, the matrix-free solver here proposed yields up to 50$\times$ speed-up with respect to a conventional matrix-based solver.


翻译:我们为心脏电子生理模型的数字解析建议一个不使用矩阵的解析器,该模型由单度非线性反扩散反射方程式组成,并配有对离子物种的普通差异方程系统。我们的数字近似法以高分级的光谱元素法(SEM)为基础,实现精确的数字分解,同时使用比一级精度精度精度更小的自由度。我们结合了向量化,从而可以在高性能计算框架中非常高效地使用高阶多级复合体。我们在各种应用中验证无基质解方程式的有效性,并进行不同的电子生理模拟,从简单的心脏组织板到现实的四相形形形色色色色的心脏测量法(SEM-NI),我们把SEM与多位自由度结合到数字整合,显示在精确度和效率方面可以提供可比的结果。在这两种情况下,提高当地基于超级多级多级基质基质度的多价度的比降低中位数值的计算结果和小于当地平面值。我们用一个不光基质的平基质的基质的平基质性平比标准的平基质性平比标准的平基质性平基质平基质平基质的平质的平基数。

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