HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化

描述了HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化算法,主要包括G-S方程的并行化处理、三对角方程求解、网格边界磁通计算以及一系列矩阵相乘的并行加速。并行后,在129×129的网格下完成一次迭代计算需要约575μs。     

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68GHz ECRH系统由6套0.5MW/1s(1.5s)子系统构成,140GHz ECRH系统由2套1MW/3s子系统构成。每套子系统由独立的传输线与天线相连,再通过天线注入等离子体。68GHz ECRH子系统为非真空传输线,以内径为80mm的过模波纹圆波导为主要传输部件,包括隔直器、弹性波导、换向波导和一个槽纹深度为l/2的极化器;140GHz ECRH子系统为真空传输线,以内径为63.5mm的过模波纹圆波导为主要传输部件,包括隔直器、弹性波导、换向波导、转换开关、抽气波导和槽纹深度分别为l/4与l/8的极化器。经过不断地完善,68GHz ECRH系统传输线已成功运用于ECRH运行中,整条传输线的输送效率可以达到90%左右。对于140GHz ECRH系统,已完成了传输部件的整体设计,目前正在进行相关部件加工测试。     

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在一次稳定放电过程中利用快速扫描气动探针系统得到电子温度、密度、等离子体电位、极向电场以及它们的涨落、粒子通量、能量通量在径向的分布。研究了HL-2A装置边缘的静电涨落及其输运。实验结果指出,在等离子体边缘涨落量不服从玻耳兹曼关系,存在由于等离子体空间电位的梯度所产生的径向电场剪切层。分析了涨落对边缘约束的影响。     

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针对HL-2A DAS的数据特点，采用先进多层架构，开发出了HL-2A远程实验数据获取与处理系统。系统提供了丰富的远程信号处理计算和信息检索功能，实现了所获即所需的数据远程传输。同时给出Web和Windows客户端应用实例简介。     

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HL-2A装置上建设了1套3.7GHz/2MW/2s的低杂波系统,高功率长脉冲波源使用TH2103型速调管。设计了1套可以固定探针的机构,完成了速调管配套磁体的磁场测量,得到了中心轴线上的磁场分布特性,中心磁场最强达到176mT。在不同的空间位置,3组线圈电流分别对磁场分布起主要影响。1号电源主要影响阴极附近磁场分布,同时对谐振腔也有部分影响;2号电源主要对谐振腔产生影响,同时在功率输出窗口附近有一定影响;3号电源主要在输出窗口附近有影响,其他位置影响不明显。结果为速调管工作状态优化提供了方向。     

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HL-2A装置实验高性能计算系统共有130个CPU,配置了多种工具软件和程序编译器;系统峰值性能为每秒7680亿次浮点运算,并且具有很好的可管理性与可扩展性。以此为基础开展了程序调优研究,HL-2A装置实验应用研究,并取得了进展。     

Study of Plasma MHD Equilibrium in HL-2A Tokamak

In an axisymmetric toroidal system, the MHD equilibrium Grad-Shafranov equation can be written as     

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介绍了一种对等离子体边缘进行径向扫描的往复静电探针系统,该系统由高压气源、传输杆、光栅尺、探针组件构成。它在一次放电中能测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、离子饱和电流、极向电场、粒子通量等参数的径向分布以及电子温度和密度的衰减长度。测量结果表明,利用该系统测量的主等离子体边缘参数分布与JT-60U、TEXT、HT-7等装置上测量的结果一致。     

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采用了新的放电方案,消除了环向场对磁测量的影响。通过修改信号调理电路,解决了积分器不能响应磁通快速变化的问题;通过改进磁测量的标定方法,在准确标定磁通和极向磁探针测量的同时,有效地标定了径向磁探针的测量信号。输入这些有效标定数据后,EFIT能快速收敛,获得了准确可靠的位形重建结果,与探针、氢阿尔法和CCD等诊断结果很好符合。同时介绍了自行研制的sFIT位形重建代码,该代码得到的位形重建结果,与EFIT反演结果一致。     

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现有的HL-2A实时平衡重建系统采用的是网格尺寸为33×33,将无法满足HL-2M装置对控制精度和速度要求.为此开发了网格尺寸为129×129的重建系统,并通过GPU并行、算法重构等优化方法,使得新的重建系统在保证计算精度的情况下能够使得每一次平均重建计算维持在600μs内,可满足HL-2A和HL-2M中周期为1ms等离子体控制系统对重建系统精度和速度要求.     

HL-2A装置实时等离子体位形重建系统的加速优化

现有的HL-2A实时平衡重建系统采用的是网格尺寸为33×33,将无法满足HL-2M装置对控制精度和速度要求。为此开发了网格尺寸为129×129的重建系统,并通过GPU并行、算法重构等优化方法,使得新的重建系统在保证计算精度的情况下能够使得每一次平均重建计算维持在600μs内,可满足HL-2A和HL-2M中周期为1ms等离子体控制系统对重建系统精度和速度要求。     

HL-2A 等离子体位形重建研究

采用了新的放电方案,消除了环向场对磁测量的影响。通过修改信号调理电路,解决了积分器不能响应磁通快速变化的问题;通过改进磁测量的标定方法,在准确标定磁通和极向磁探针测量的同时,有效地标定了径向磁探针的测量信号。输入这些有效标定数据后,EFIT 能快速收敛,获得了准确可靠的位形重建结果,与探针、氢阿尔法和CCD 等诊断结果很好符合。同时介绍了自行研制的sFIT 位形重建代码,该代码得到的位形重建结果,与EFIT 反演结果一致。     

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为提高等离子体实时平衡反演过程的精度和效率,开发了基于图形处理器(GPU)的P-EFIT程序.简要概括EAST PCS软硬件架构后,描述了并行实时平衡反演程序P-EFIT在EAST PCS中的集成工作.为了验证集成系统的正确性与可用性,用历史实验数据作了性能测试,满足实时控制的要求.目前P-EFIT已集成在EAST中并用于等离子体控制,EAST实验证明控制性能良好.     

实时并行平衡反演程序在EAST PCS中的集成

为提高等离子体实时平衡反演过程的精度和效率,开发了基于图形处理器(GPU)的P-EFIT程序。简要概括EAST PCS软硬件架构后,描述了并行实时平衡反演程序P-EFIT在EAST PCS中的集成工作。为了验证集成系统的正确性与可用性,用历史实验数据作了性能测试,满足实时控制的要求。目前P-EFIT已集成在EAST中并用于等离子体控制,EAST实验证明控制性能良好。     

Analyses of edge plasma characteristics in HL-2A

The edge plasma characteristics are studied by both a movable array of Mach/Reynolds stress/Langmuir 10-probes in the boundary region and the fixed flush probe arrays on the 4 divertor neutralization plates at the same toroidal cross-section in the HL-2A tokamak. The dependence of the Reynolds stress on poloidal flow in the edge plasma is analysed. The result indicates that the sheared poloidal flow in tokamak plasma can be induced by the radial gradient of Reynolds stress. In the divertor experiments of HL-2A, the profiles of the electron temperature, density and floating potential on divertor plates are measured by the flush probe arrays. The edge electron temperature in divertor configuration is higher than that in limiter configuration. The temperature asymmetry between outer and inner target plates is observed. The result of magnetic surface reconstructed from 18 Mirnov coils signals is presented. Both the particle recycling and the impurity flux in the bulk plasma during divertor discharges are discussed. Neutral gas pressure in divertor chamber, measured by fast ionization gauge during divertor discharge, is given.     

Fast parallel Grad–Shafranov solver for real-time equilibrium reconstruction in EAST tokamak using graphic processing unit

To achieve real-time control of tokamak plasmas, the equilibrium reconstruction has to be completed sufficiently quickly. For the case of an EAST tokamak experiment, real-time equilibrium reconstruction is generally required to provide results within 1ms. A graphic processing unit(GPU) parallel Grad–Shafranov(G-S) solver is developed in P-EFIT code,which is built with the CUDA? architecture to take advantage of massively parallel GPU cores and significantly accelerate the computation. Optimization and implementation of numerical algorithms for a block tri-diagonal linear system are presented. The solver can complete a calculation within 16 μs with 65×65 grid size and 27 μs with 129×129 grid size, and this solver supports that P-EFIT can fulfill the time feasibility for real-time plasma control with both grid sizes.