Turbine die Plasma-Datenanalyse für die Fusionsforschung

In der Welt der Plasmaphysik ist es super wichtig, Daten schnell und effektiv zu analysieren. Das gilt besonders für Systeme wie DIII-D, ein grosses Fusionsexperiment in den USA. Das Hauptziel ist es, das Plasmaverhalten und die Eigenschaften in Echtzeit zu verstehen, besonders während der Experimentläufe, die alle 15 Minuten stattfinden.

#Was ist Charge Exchange Recombination Spectroscopy?

Eine Methode zur Analyse von Plasma heisst Charge Exchange Recombination (CER) Spektroskopie. Diese Technik hilft dabei, wichtige Daten über Ionen-Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Temperatur und Dichte zu sammeln. Diese Messungen sind entscheidend, um das Gesamtverhalten und die Stabilität des Plasmas zu berechnen.

#Der Bedarf an Geschwindigkeit

Die Herausforderung besteht darin, dass jede Plasmaentladung nur ein paar Sekunden dauert und die Analyse schnell Ergebnisse liefern muss, um die nächste Entladung einzurichten. Vor den letzten Verbesserungen konnte die Analyse mit einem Tool namens CERFIT etwa 15 Minuten in Anspruch nehmen. Angesichts der kurzen Zeiträume zwischen den Entladungen war klar, dass eine schnellere Lösung notwendig war.

#Was hat sich geändert?

Indem sie sich darauf konzentrierten, den Code für die CERFIT-Analyse zu optimieren, konnten die Wissenschaftler die Zeit für die Berechnungen erheblich reduzieren. Sie haben den Code so umgeschrieben, dass mehrere Berechnungen gleichzeitig durchgeführt werden können, anstatt nacheinander. Diese Änderung allein half, die Laufzeit auf nur 51 Sekunden zu reduzieren, was einer fast 20-fachen Geschwindigkeitsverbesserung entspricht.

#Details des DIII-D Experiments

DIII-D läuft über mehrere Monate und führt täglich 30 bis 40 Plasmaentladungen durch. Dieses Experiment verlässt sich auf eine riesige Anzahl von Diagnosewerkzeugen zur Datensammlung. Mit über 50 verschiedenen Diagnosewerkzeugen in Betrieb wird eine grosse Menge an Daten produziert, die schnell verarbeitet werden muss.

#Der Superfacility-Workflow

Um die Zusammenarbeit zwischen DIII-D und NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center) zu verbessern, wurde ein neues System namens Superfacility entwickelt. Dieses System zielt darauf ab, den Workflow zwischen dem DIII-D Experiment und den Rechenressourcen von NERSC zu optimieren. Das Ziel ist es, den Wissenschaftlern zu ermöglichen, Daten schnell zu verarbeiten und den Plasma-Zustand selbst innerhalb der engen Zeitvorgaben zwischen den Entladungen zu rekonstruieren.

#Was ist CAKE?

CAKE steht für Consistent Automatic Kinetic Equilibrium. Es ist ein wichtiger Bestandteil dieses Workflows. CAKE nutzt die von der CER-Spektroskopie gesammelten Ionen-Eigenschaften, um ein klareres Bild der Plasmaumgebung zu schaffen. Da CAKE jedoch Zeit für die Berechnung benötigt, läuft es oft erst, nachdem alle Plasmaentladungen des Tages abgeschlossen sind, was bedeutet, dass die Erkenntnisse veraltet sind.

#Die Rolle von CERFIT

CERFIT ist das Analysetool, das die Rohdaten aus dem CER-Diagnosesystem verarbeitet. Es nimmt Informationen von etwa 76 verschiedenen Kanälen auf, die das Plasma aus verschiedenen Winkeln beobachten. Jeder dieser Kanäle sammelt Licht, das dann analysiert wird, um wichtige Informationen über den Zustand des Plasmas zu extrahieren. Dieser Prozess erfordert das Anpassen spezifischer Muster an die Daten, was eine ausgeklügelte Reihe von Berechnungen erfordert.

#Auf dem Weg zur parallelen Verarbeitung

Da die Berechnungen für jeden der 64 Kanäle unabhängig sind, entschieden sich die Wissenschaftler, dies auszunutzen, indem sie die Aufgabe in kleinere Teile zerlegten, die gleichzeitig bearbeitet werden konnten. Diese Technik wird als parallele Verarbeitung bezeichnet. Sie ermöglicht die gleichzeitige Berechnung für jeden Kanal, was die Effizienz erheblich steigert.

#Umsetzung der Änderungen

Der Optimierungsprozess umfasste mehrere Schritte. Zuerst wurde der bestehende Code analysiert, um herauszufinden, wie die Zeit bei verschiedenen Aufgaben verbracht wurde. Durch die Identifizierung langsamer Teile des Codes und die Änderung, wie Aufgaben ausgeführt wurden, konnte das Team die parallele Verarbeitung effektiver umsetzen.

#Nutzung von Slurm-Job-Arrays

Um die erhöhte Anzahl gleichzeitiger Aufgaben zu managen, nutzten die Forscher ein Tool namens Slurm Job Arrays. Dieses Tool ermöglicht die einfache Verwaltung vieler ähnlicher Aufgaben, die gleichzeitig laufen. Im Grunde verarbeitet jede Aufgabe die Daten von einem Kanal, sodass das System viele Jobs zusammen ausführen kann, ohne in der Warteschlange zu stehen.

#Testen des neuen Systems

Ein wichtiger Teil des Projekts bestand darin, das neue parallele System zu testen, um die Genauigkeit sicherzustellen. Das Team erstellte Tests, die die Ergebnisse des neuen Systems mit den bereits bestehenden verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass der neue parallele Ansatz genaue Ergebnisse in kürzerer Zeit lieferte.

#Messbare Verbesserungen

Die Gesamtzeit für die Durchführung der hochwertigen CERFIT-Analyse wurde drastisch von etwa 1010 Sekunden auf nur 51 Sekunden reduziert. Das zeigt eine bemerkenswerte Geschwindigkeitsverbesserung, die den Wissenschaftlern hilft, viel schneller Erkenntnisse zu gewinnen. Ausserdem wurde die durchschnittliche Verarbeitungszeit für einzelne Kanäle bewertet, um das System weiter zu verfeinern.

#Zukünftige Richtungen

Trotz dieses Erfolgs gibt es noch viele Möglichkeiten, das System zu verbessern. Ein Schwerpunkt wird darauf liegen, den CERFIT-Code noch robuster und anpassungsfähiger für den regelmässigen Gebrauch zu machen. Durch die Verbesserung der Zusammenarbeit von CERFIT mit verschiedenen Rechensystemen kann die Effizienz der Analyse weiter gesteigert werden.

#Mögliche Verbesserungen

Es besteht auch die Möglichkeit, andere Programmieransätze, wie MPI (Message Passing Interface), in die Analyse zu integrieren. Dies würde neue Wege bieten, Aufgaben zu verwalten und die Effizienz zu erhöhen. Ein weiterer wichtiger nächster Schritt wird darin bestehen, das System auf verschiedenen Rechenplattformen, wie NERSCs Perlmutter, zu testen, um die Vorteile der Nutzung externer Ressourcen zu erkunden.

#Fazit

Die Arbeit zur Verbesserung der CERFIT-Analysezeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Plasmaphysik dar. Durch die Optimierung des Prozesses können Wissenschaftler wichtige Daten schneller sammeln, was informiertere Entscheidungen während der Experimente ermöglicht. Diese erhöhte Effizienz wird voraussichtlich sowohl Forschern als auch Betreibern in Echtzeit zugutekommen und eine effektivere und reaktionsschnellere experimentelle Umgebung schaffen. Die erzielten Verbesserungen werden nicht nur bei der Analyse aktueller Experimente helfen, sondern könnten auch den Weg für zukünftige Fortschritte in der Plasmaphysik und Fusionsenergieforschung ebnen.