地球磁気圏－人工衛星環境連成解析に向けた衛星帯電計算の時間方向並列化の検討

• Item type: SIG Technical Reports(1)
• 公開日: 2024-12-09
• タイトル: 地球磁気圏－人工衛星環境連成解析に向けた衛星帯電計算の時間方向並列化の検討
• タイトル / 言語: en
• タイトル: Parallel-in-Time Implementation of Spacecraft Charging Calculations for Coupled Numerical Analysis of Magnetospheric Dynamics and Spacecraft Environment
• 言語: jpn
• キーワード / 主題Scheme: Other
• キーワード / 主題: 並列計算
• 資源タイプ / 資源タイプ識別子: http://purl.org/coar/resource_type/c_18gh
• 資源タイプ: technical report
• 著者所属: 神戸大学大学院システム情報学研究科
• 著者所属: 神戸大学大学院システム情報学研究科
• 著者所属: 九州大学情報基盤研究開発センター
• 著者所属: 京都大学学術情報メディアセンター
• 著者所属: 東北大学大学院理学研究科
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of System Informatics, Kobe University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of System Informatics, Kobe University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Research Institute for Information Technology, Kyusyu University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Academic Center for Computing and Media Studies, Kyoto University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Science, Tohoku University
• 著者名: 田中, 唯逸; 三宅, 洋平; 南里, 豪志; 深沢, 圭一郎; 加藤, 雄人
• 著者名(英): Yuito, Tanaka; Yohei, Miyake; Takeshi, Nanri; Keiichiro, Fukazawa; Yuto, Katoh
• 論文抄録 / 内容記述タイプ: Other
• 論文抄録 / 内容記述: 本論文では我々が開発を進めている地球磁気圏－人工衛星環境連成解析フレームワークにおいて，並列化実装が未完了であった人工衛星帯電計算の時間方向並列化の検討状況を報告する．プラズマ中の衛星帯電の支配方程式は衛星電位の時間発展を記述する常微分方程式であり，式内に空間微分項を持たないため空間方向の並列化ができない．そこで我々は先行研究で幅広く用いられている Parareal 法をベースとした時間方向並列化の帯電計算への適用を進め，計算速度と精度を検証した．Parareal 法は時間領域を分割し，各領域を異なるプロセスで担当することで並列に計算を行う手法である．その際，分割された時間区間の整合性を確保するための反復による修正計算を実施する．具体的には粗い時間刻み幅での近似計算と，所望の細かい時間刻み幅での並列計算を交互に行い，解を収束させていく．本実装では細かい積分演算に 4 次のルンゲクッタ法を，粗い積分演算の代わりにニュートン法を用いた．本連成解析の結果，大部分のプラズマ条件下では収束に至るまでの反復回数は 1 回となった．一方，急激な変動を含むプラズマ条件下ではプロセス数と同程度の反復が必要なケースも確認された．32 並列プロセス実行では並列化実装前との比較で，反復回数 1 回では 29 倍，プロセス数と同程度の反復回数では 0.94 倍の計算速度が確認された．時間方向並列未実装時の連成解析では，帯電計算と磁気圏 MHD 計算の計算速度が均衡する点は，MHD 計算において 256～512 プロセスの範囲にのみ存在し，計算資源割り当てにおける制約となっていた．時間方向並列化により，例えば 32 プロセスを用いた並列帯電計算と計算時間が均衡する MHD 計算の並列度は 2048～4096 プロセスとなり，連成解析全体としてより大規模な計算資源を割り当てて高速もしくは大規模な解析を実施することが可能となった．時間方向並列化の実装前後の数値結果の相対誤差は 1.0×10-5 以下であり，帯電評価計算としては十分な精度が確認された．
• 論文抄録(英) / 内容記述タイプ: Other
• 論文抄録(英) / 内容記述: This paper reports on the parallelization of spacecraft charging (SC) calculations in the time direction, which has not yet been implemented in the coupled numerical analysis framework of magnetospheric dynamics and spacecraft environment that we are developing. The governing equation for SC in the plasma is an ordinary differential equation describing the time evolution of a spacecraft potential, and cannot be parallelized in the spatial direction because there is no spatial differential term in the equation. We adopt a parallel-in-time implementation based on the Parareal method, which has been widely used in previous studies for other applications. Correction calculations are performed by iteration to ensure the consistency of the divided time intervals. Specifically, approximate calculations at coarse time intervals and parallel calculations at the desired fine time intervals are alternated to converge to an accurate solution. In our implementation, the fourth-order Runge-Kutta method is used for the fine integration operations, whereas the Newton method is used instead of the coarse integration operations. The results of the coupled analysis show that the number of iterations to convergence is one for most plasma conditions, but for some specific plasma conditions, the analysis requires more iterations, the number of which is comparable to the degree of parallelization. For 32-parallel process runs, the calculation speed was 29 times faster with one iteration, but 0.94 times calculation speed with the same number of iterations as the number of processes, compared to before the parallelization was implemented. In the coupled analysis with sequential SC calculations, the balancing point between the computational speeds of the SC and MHD computations existed only in the range of 256-512 processes for the MHD computations, which was a constraint on the allocation of computational resources. With the parallel-in-time implementation, the degree of parallelism of the MHD computations where the computation time is balanced with the parallelized SC calculations with 32 processes, is 2048-4096 processes, making it possible to allocate a larger amount of computational resources in total to the coupled analysis and perform a faster or larger analysis. The relative errors of the numerical results before and after the parallel-in-time implementation were less than 1.0 × 10-5, confirming sufficient accuracy for the SC assessment.
• 書誌レコードID / 収録物識別子タイプ: NCID
• 書誌レコードID / 収録物識別子: AN10096105
• 書誌情報: 研究報告システム・アーキテクチャ（ARC）; 巻 2024-ARC-259, 号 4, p. 1-8, 発行日 2024-12-09
• ISSN / 収録物識別子タイプ: ISSN
• ISSN / 収録物識別子: 2188-8574
• Notice: SIG Technical Reports are nonrefereed and hence may later appear in any journals, conferences, symposia, etc.
• 出版者 / 言語: ja
• 出版者: 情報処理学会