Nouveaux algorithmes Particle-in-Cell pour une simulation 3D réaliste de l'interaction laser-plasma à ultrahaute intensité

par Haithem Kallala

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Pascal Monot.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 17-10-2016 .


  • Résumé

    Le projet PetaWatt (PW) APOLLON actuellement en cours de construction aura pour objectif principal de produire des sources de lumière et de particules très énergétiques à partir de l'interaction entre un laser PW et un plasma. Le succès de ce projet reposera en partie sur un couplage fort entre expériences et simulations numériques à grande échelle avec le code Particle-In-Cell (PIC) SMILEI développé à la maison de la simulation. La méthode PIC 3D standard utilisée à l'heure actuelle ne parvient pas à décrire assez précisément les nouveaux régimes d'interaction qui seront rendus possibles avec APOLLON car le solveur de Maxwell utilisé pour calculer l'évolution des champs électromagnétiques génère de fortes instabilités numériques lorsque les particules de plasma bougent à des vitesses relativistes. A présent, la suppression de ces instabilités requiert une résolution spatio-temporelle très élevée qui accroît considérablement le temps de calcul et empêche la réalisation de simulations 3D dans des temps réalistes. Notre projet commun à DSM/Maison de la Simulation et DSM/IRAMIS/LIDyL, en collaboration avec le BELLA center du Lawrence Berkeley Lab a donc pour ambition de construire une nouvelle génération de codes Particle-In-Cell qui rendra possible la modélisation de ces nouveaux régimes d'interaction en 3D. Le nouveau code utilisera des solveurs très précis d'ordre très élevé voire pseudo-spectraux pour résoudre les équations de Maxwell. En dépit de leur grande précision, ces solveurs ont très peu été utilisés au cours 30 dernières années en raison de leur faible scalibilité - jusqu'à 10,000 cœurs seulement- ce qui est loin d'être suffisant pour tirer partie des millions de cœurs disponibles dans les architectures haute performance actuelles pourtant requises pour la simulation 3D. Dans ce contexte, le challenge de cette thèse sera d'implémenter une version 3D parallèle haute performance de ces solveurs dans le code PIC SMILEI qui reposera sur une décomposition de domaine innovante. Cette nouvelle implémentation devrait permettre une parallélisation efficace du code sur des millions de cœurs. Le nouveau code PIC sera ensuite comparé aux codes existants afin de quantifier les bénéfices de la nouvelle méthode en termes de précision et de temps de calcul. Enfin, le nouveau code sera utilisé en production en support aux expériences menées sur la chaîne laser APOLLON.

  • Titre traduit

    New Particle-in-Cell algorithms for realistic 3D simulation ofultra high intensity laser-plasma interaction ultra high intensity


  • Résumé

    The success of the PetaWatt (PW) APOLLON laser facility presently under construction, which aim at producing promising particle and light sources from relativistic laser-plasma interactions, will partly rely on the strong coupling between experiments and large-scale simulations with the Particle-In-Cell (PIC) code SMILEI currently under development at CEA/Maison de la Simulation. Standard 3D PIC codes currently in use fail to accurately describe these new interaction regimes because the finite difference Maxwell solver used to compute electromagnetic fields generates strong instabilities when particles move at relativistic velocities. At present, the mitigation of these instabilities requires the use of very high resolution, which dramatically increases the computation time, and prevents realistic 3D modeling. Our joint project at DSM/Maison de la Simulation and DSM/IRAMIS/LIDyL, in collaboration with LBNL/BELLA center in California, aims at building a new generation of highly accurate 3D PIC codes, which will enable realistic 3D simulations of these yet unexplored interaction regimes. It will use highly precise pseudo-spectral methods to solve Maxwell's equations. Despite their accuracy, such methods have however hardly been used so far, due to their low scalability to 10,000s of cores only, which is not enough to take advantage of supercomputer architectures required for 3D modeling. To break this barrier, the PhD candidate will implement a parallel version of these very high order/pseudo-spectral solvers in the SMILEI PIC code, that relies on the classical cartesian domain decomposition currently used at low orders. This should enable for the first time a massively parallel implementation of pseudo-spectral solvers on up to a million of cores. The new PIC code will then be used to model future experiments with the APOLLON PW laser and compared to the standard PIC implementation in SMILEI. The outcome of this project will be a much more accurate 3D PIC code which should dramatically reduce the time-to-solution needed to solve a given problem, and hence have a huge impact on the field of ultrahigh intensity laser-plasma interaction, which is extremely active in Europe (ELI project).