基于GPU的EAST等离子体快速平衡重建研究

Advanced plasma control require accurate feedback control many of discharge paramters, such as plasma position, shape and internal profile. But until now, the values of these parameters can be evaluated from the avaiable diagnostic data. So, accurate and fast plasma equilibrium reconstruction is the basis of the tokamak plasma control and high performance plasma physics experiments. At present, the fast plasma equilibrium reconstruction algorithm RTEFIT is used on EAST plasma control, which is a reduced model of the full plasma equilibrium reconstruction code EFIT. RTEFIT divided the reconstruction into two separated calculation module run in two separate CPU. In RTEFIT, the time consuming process of iterating to a well-converged solution for a fixed set of diagnostic data is eliminated. Instead, for each new reconstruction a new set of diagnostic data is acquired, the most recent equilibrium solution is used as the starting point and one iteration is performed. In order to satisfy the real time calculation, RTEFIT use a low precision grid (33*33). With the accomplishment of this project, a more accurate plasma equilibrium reconstruction system for will be established, which will provide a important guarantee for EAST steady state operation, and provide references for ITER fast plasma equilibrium reconstruction.

先进的等离子体控制要求精确控制等离子体位形及内部剖面分布，但这些反馈控制参数到目前为止只能通过外部诊断测量数据反演计算获得。准确快速的等离子体平衡重建是托卡马克等离子体控制的基础，是进行高水平等离子体物理实验的重要保障。目前EAST等离子体控制采用RTEFIT实时平衡重建算法快速反演等离子体反馈控制参数。RTEFIT是在离线EFIT算法的基础简化得到的，其主要特点是将等离子体平衡重建划分成两大功能模块，并分别运行在两个指定CPU核上。RTEFIT除去了离线EFIT中针对某一时刻诊断数据反复迭代直至收敛的耗时计算，代之以针对每个新的诊断数据，以最近时刻平衡重建结果作为迭代计算起始点，用一次迭代拟合等离子体电流模型参数，计算反馈控制参数。同时，采用较粗的网格（33*33）。本项目的完成，可提高EAST等离子体平衡重建的精度，为EAST稳态运行提供重要保障，为ITER等离子体平衡重建提供参考。

先进的等离子体控制要求精确控制等离子体要求精确控制等离子体位形及内部剖面分布，但这些反馈控制参数到目前为止只能通过外部诊断测量数据反演计算得到。准确快速的等离子体平衡重建是托卡马克等离子体控制的基础，也是进行高水平等离子体物理放电实验的重要保障。针对EAST等离子体控制系统实时位形控制需要，采用GPU开发基于CUDA架构的快速等离子体平衡重建算法PEFIT。研究了PEFIT与等离子体控制系统之间的实时数据互通，建立了基于反射内存（RFM）网络的实时数据通信接口，实现了PEFIT快速等离子体平衡重建与等离子体控制系统之间的实时数据交互。在EAST的2014和2015年物理实验中，实现了基于PEFIT/ISOFLUX稳定可重复的等离子体放电。通过本项目的研究工作，建立了基于GPU众核的EAST快速等离子体平衡重建系统，通过和等离子体控制系统的实时数据交互，在提高了EAST等离子体实时平衡的精度和速度的同时满足了EAST实时位形控制的需要，为EAST稳定运行提供重要保障。同时，PEFIT代码也吸引了国际同行，如DIIID，MAST等装置的关注，相应的合作开发正在进行中。通过本项目的大力支持，基于GPU的EAST等离子体快速平衡重建研究取得了重大成果。