Flash-X：多物理场模拟软件2022年最新版本及应用研究总结

软件X 19（2022）101168原始软件出版物Flash-X：一个多物理场模拟软件仪器Anshu Dubeya，h，R.A.，Klaus Weideh，a，JaredJ. Austin Harrisb，Tom Klostermana，Rajeev Jaina，Johann Rudia，Bronson Messerb，l，Michael Pajkosc，Jared Carlsonc，Ran Chul，Mohamed Wahibn，Saurabh Chawdharya，Paul M.放大图片创作者：Richardd，Dongwook Leee，Katie Antypasg，Katherine M.莱利，放大图片作者：Christopher Daleyg，Murali Ganapathyi，Francis X.作者：Timmesj.放大图片作者：John Bachangg，Paul M.里奇a，什拉万·库马尔h，埃里克·恩迪夫b，l，W.拉斐尔·希克斯b，l，安东尼·梅扎卡帕l，托马斯·帕帕西奥多尔baArgonne国家实验室，Lemont，IL，60439，USAb橡树岭国家实验室，橡树岭，田纳西州，37831，美国c美国密歇根州立大学d美国伊利诺伊大学香槟分校美国加州大学圣克鲁兹分校f美国乔治华盛顿大学g美国劳伦斯伯克利国家实验室h芝加哥大学，美国iGoogle Inc，美国美国亚利桑那州立大学k美国国家标准与技术研究所l田纳西大学，诺克斯维尔，田纳西州，37996，美国m阿拉巴马大学，塔斯卡卢萨，AL，35487，美国n理研BNL研究中心，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收日期：2022年收到修订版，2022年7月12日接受，2022年关键词：多物理场仿真软件高性能计算性能可移植性a b st ra ctFlash-X是一个高度可组合的多物理场软件系统，可用于模拟多个科学领域的物理现象。它的一些解算器来自FLASH，FLASH于2000年首次发布。Flash-X有一个新的框架，它依赖于抽象和异步通信，以实现跨一系列日益异构的硬件平台的性能可移植性Flash-X主要用于求解具有可压缩和/或不可压缩反应流的应用的欧拉公式。它还有一个内置的多功能拉格朗日框架，可以以许多不同的方式使用，包括实现示踪剂，粒子模拟和浸入边界方法。©2022由Elsevier B.V.发布这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。∗对应 收件人：阿贡 国家 实验室，9600 S.卡斯大道，Lemont，IL，60439，USA.电子邮件地址：adubey@anl.gov（Anshu Dubey），kweide@uchicago.edu（克劳斯·韦德），joneal@anl.gov（贾里德jain@anl.govtklosterman@anl.govharrisja@ornl.govscouch@msu.eduadhruv@anl.govpmricker@illinois.edugmail.comrchu@vols.utk.edugmail.commapajkos@gmail.combronson@ornl.govRicker），dlee79@ucsc.edu（Dongwook Lee），kantypas@lbl.gov（凯蒂·安蒂帕斯）riley@alcf.anl.gov莱利），csdaley@lbl.gov（克里斯托弗戴利），murali@google.com（穆拉利加纳帕蒂），fxt44@mac.com（弗朗西斯X。Timmes），Dean.m. ua.edu（Dean M.Townsley），marcos. nist.gov（MarcosVanella），john. gmail.com(John Bachan），richp@alcf.anl.gov（Paul M.Rich），shravan2915@gmail.com（Shravan Kumar），endevee@ornl.gov（Eirik Endeve），raph@ornl.gov（W.拉斐尔·希克斯），mezz@tennessee.edu（安东尼·梅扎卡帕），papatheodore@ornl.gov（托马斯·帕帕西奥多尔）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.1011682352-7110/©2022由Elsevier B. V.出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxAnshu Dubey，Klaus Weide，Jared软件X 19（2022）1011682代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00102代码胶囊https://github.com/Flash-X/Workflows/tree/main/incompFlow/FlowBoiling合法代码许可证Apache 2.0使用git的代码版本控制系统使用Fortran、C、C++、Python 3、MPI、OpenMP、OpenACC、HDF5的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖关系基于Unix、Linux、OSX的编译器，适用于上述语言和库开发人员文档/手册https://flash-x.org/pages/documentation/问题支持电子邮件flash-x-users@lists.cels.anl.gov1. 动机和意义Flash-X [1]是FLASH [2，3]的新化身，FLASH[ 2，3 ]是一个多物理场软件系统，已被多个科学社区使用。Flash-X的用途超出了现有的FLASH科学社区。它被设计为易于适应任何依赖微分方程作为其主要数学模型的计算科学家使用有限体积或有限差分离散化。FLASH仅被设计用于具有批量同步的同构、分布式存储器并行模型，这使得它不适合用于严重依赖于不同存储器空间的许多较新的系统架构（例如，加速器）。这种困难进一步加剧了日益增加的异构性，硬件以及求解器内的代码。Flash-X有一个从根本上重新设计的架构，它使用抽象和异步操作来实现跨各种平台的性能可移植性，无论是否有加速器。我们的设计是前瞻性的，因为它使最小的假设，并行化或内存模型可能会流行在未来的平台。该设计依赖于不同粒度的自描述代码组件合成部分通过汇编完成，部分通过代码翻译完成，部分通过代码生成完成。一些代码汇编功能是从FLASH导入的，但已得到显著增强，可以在比子例程或函数更精细的范围内离散组件。用于代码转换和运行时管理的工具是新的，将支持节点上不同计算设备之间的计算和数据移动的编排。除了新的架构，Flash-X还有更新和更高保真的物理解算器。其中最值得注意的是磁流体动力学的Spark [4]，核燃烧的XNet [5，6]，中微子辐射输运的Thornado [7，8]和表列微观物理学的Weak- Lib [9此外，Flash-X可以通过水平设置方法支持多相流，这在FLASH版本中不存在[12]。Flash-X已经在阿贡国家实验室的小集群上以及橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室的领导级机器上进行了测试。Flash-X将展示ExaStar [13]的关键性能参数，ExaStar是Exascale计算项目[14，15]（ECP）下的一个项目，通过在Exascale机器上进行核心坍缩超新星（CCSN）模拟，由美国能源部。为了大规模有效运行，Flash-X将依赖于上述工具链。工具链的一些组件嵌入在Flash-X中，而其他组件则封装到可供其他代码使用的独立库中。请注意，代码的编译和执行不需要使用这些外部库;它们仅用于编排数据移动和计算，以获得更好的性能。除了新的架构，Flash-X还采用了基于社区的开放式开发模式。代码的管理由代表FLASH/Flash-X所有主要科学社区的理事会指导有关我们社区发展模式的更多详情，请访问https://flash-x.org。2. 软件描述Flash-X代码是一个基于组件的软件系统，用于模拟多物理场应用程序，主要可以用公式表示为偏微分方程和常微分方程（PDE和ODE）以及代数方程的集合。方程离散化并在具有均匀分辨率（UG）或自适应网格细化（AMR）的域上求解。在Flash-X中，可以选择PARAMESH [16]，一个用Fortran编写的基于八叉树的库，或者AMReX [17，18]，一个高度灵活的，基于补丁的C++ AMR库。两个AMR框架都可以与hypre [19]和PETSc [20]等数学库交互，使这些求解器可用于Flash-X。 物理单元被设计成不考虑域分解他们的大部分代码都是为逐块更新而编写的，并根据需要调用网格单元的精细-粗略边界分辨率相关API函数。双曲型方程是用显式方法求解的，该方法常用于强激波的可压缩流，如第2.2节所述。对于椭圆方程，可以使用包含的多极解算器[21]、AMReX对于抛物方程，必须依赖库接口。维护的代码组件是用高级语言（如Fortran、C和C++）的组合编写的，嵌入式特定于域的配置语言（DSCL）也支持Flash-X自定义宏。DSCL允许使用内置仲裁机制对宏进行多个替代定义附带的配置工具链可以转换和组装组件的不同组合，以配置各种应用程序。Flash-X从一开始就被设计为具有高性能，同时平台和代码中的求解器代码使用消息传递接口（MPI）库进行节点之间的通信，尽管一个节点上也可以放置多个MPI等级。HDF5是IO的默认模式。对OpenMP的支持，无论是线程还是卸载到加速器，都内置在几个（尽管不是全部）求解器中。2.1. 软件构架Flash-X具有可组合的组件和伴随的元数据，这些元数据可以表达例如组件间依赖性和排他性、必要的状态变量等。元数据通过伴随的配置文件封装在代码组件内，并由配置工具Setup解析和解释。安装程序递归地解析配置文件，聚集必需的组件，并组装一个完整的应用程序。它还为应用程序中包含的每个组件组装编译/生成系统和运行时参数。安装工具还通过配置文件中的关键字和Unix目录结构的组合实现代码继承，而不是使用支持的编程语言Anshu Dubey，Klaus Weide，Jared软件X 19（2022）1011683Fig. 1. 在Flash-X中实现继承的示意图。继承和变体的处理假定有三个列表：一个用于文件，一个用于宏，运行时参数。右框中的流程图给出了在遍历源树时如何更新键和运行时参数的详细信息图二. 使用继承和宏从单一来源生成变体的示意图。继承机制当安装程序分析源目录树时，它将每个目录视为继承其父目录中的所有文件当目录层次结构中给定级别的源文件覆盖更高级别的同名文件时，配置文件会累积遇到的所有定义继承的示意图如图所示。1.一、在Flash-X中，特定功能类型的最高级别代码组件称为单元。单位可以有子单位。一个单元包括一个可访问整个代码的API，通过它它与其他单元和驱动程序进行交互。虽然每个子单元都可以有自己的子组件，而不限制它们的细粒度，但一般的经验法则是尽可能保持它们的粗粒度，以便于维护。一个单元可以有多个替代实现，其中一个必须是空实现。如果在模拟中不需要单元，则包括空实现。此功能有助于保持主驱动程序的很少实现，同时允许在应用程序中包含许多功能组合。任何代码组件都可以有多个替代实现，但与单元级API不同，低级别组件不需要空实现。当代码组件需要比函数或子程序小。在这里，我们依靠宏来实现操作的替代定义，包括null情况。中所示的继承机制图 1仲裁选择哪个定义。宏也可以有参数、内联和递归。这种机制有两个目的。第一是方便开发者。某些代码模式在代码中经常重复-例如，迭代器的调用，循环嵌套的边界和数组的边界。我们已经为这种重复的模式提供了宏，开发人员可以自行决定使用这些宏。宏使代码紧凑，减少剪切和粘贴错误，并有助于阐明代码的控制流和语义。第二个更强大的动机是，通过替代定义，我们可以从同一个源代码中生成代码组件的许多变体。当不同控制流更适合于不同的计算设备时，该功能特别有用。我们可以在控制流中使用宏时保持算术表达式不变，反之亦然，从而不仅消除了代码重复，而且使维护的代码更加紧凑。从单一来源生成变体的示意图，其中通过替代宏定义获得专门化，如图2所示。2.2. 软件功能Flash-X发行版包括可压缩和不可压缩流体的求解器、处理状态方程（EOS）的几种方法、核燃烧的源项、计算重力效应的几种方法、多相流的水平集方法、核反应堆的水平集方法和核反应堆的水平集方法。Anshu Dubey，Klaus Weide，Jared软件X 19（2022）1011684流，以及其他一些。Flash-X中的偏微分方程的主要公式是欧拉公式，尽管也包括一个通用的拉格朗日框架，可以配置为进行计算，作为示踪剂、单元中的粒子、浸没边界等。使用Flash-X的绝大多数应用在其配置中包括某种形式的流体动力学或磁流体动力学。但是，可以配置完全绕过这些求解器的应用程序。磁流体动力学和流体动力学：分布中包括具有二阶或三阶强稳定性保持（SSP）Runge-Kutta（RK）时间积分（Spark）[ 4 ]的可压缩磁流体动力学/流体动力学求解器所有的求解器都可以用于1维、2维或3维配置。状态方程：该代码支持几个EOS版本，适用于天体物理流中的一系列状态。最简单的一个是一个完美的气体状态方程与多物种的变体。另一个有两个变体的实现使用快速亥姆霍兹自由能表插值来处理简并相对论电子和正电子，并且还包括辐射压力和离子（通过理想气体近似）[25]。核燃烧：分布中包括不同数量物种的三个核反应网络。Approx-13和approx-19 [26]继承自FLASH。XNet是一个独立的天体物理核燃烧演化代码，可推广到任意大的网络，以提高某些应用的物理保真度。引力：引力势可以非常简单地视为常数，或者根据密度场的对称性，使用多极或多重网格方法通过泊松求解。粒子：这部分代码构成了拉格朗日框架的基础[27]。粒子保持自己的空间坐标，并在时间上独立整合。它们与欧拉网格相互作用，以获得它们前进所需的物理量，或者根据使用情况将质量、电荷或能量等量沉积到网格上。不可压缩流体动力学：该代码组件解决了不可压缩的Navier-Stokes方程求解器是使用分数步时间积分方案实现的，一个泊松压力解算器多相界面使用水平设置功能进行跟踪，并使用虚流体方法来解释由于表面张力和质量传递引起的力[28]。固体对流体的影响使用浸没边界法进行建模，该方法使用拉格朗日粒子[29]。可导入的模块：Flash-X使用GitHub的子模块来导入一些独立开发并托管在自己的存储库中的功能。其中包括用于制表、核EOS和中微子-物质相互作用速率的WeakLib3. 说明性实例我们描述了两个例子模拟使用Flash-X从两个不同的科学界。第一个是CCSN模拟，使用可压缩流体力学，核EOS，中微子辐射输运，和自重力求解器。第二个是过冷流动沸腾模拟，使用多相不可压缩的图三. 在CCSN模拟中，绘制了不同时间（相对于反弹时间，Tb）我们在球对称中进行CCSN模拟，初始化为一颗低质量的坍缩前祖星，该恒星先前在恒星演化的所有阶段都进行了建模[30]。电子型中微子和反中微子是使用thornado的两矩中微子输运解算器和WeakLib的列表核EOS [ 31 ]和中微子-物质相互作用速率[ 32 ]来演化的可压缩流体动力学与火花进化，和牛顿自重力计算使用多极泊松求解器。有关物理学的更详细描述，请参见[33]。图图3显示了在模拟中的一个关键时期，电子与重子的比率（电子分数）随半径的演变，该模拟跨越了核心图4提供了过冷流动沸腾模拟的细节。该实验旨在复制Lebon等人在不同重力水平下进行的实验。这些计算使用多相不可压缩液体冷却剂以平均速度U0流过加热器表面，导致相变和蒸汽泡的形成。这些蒸汽气泡增长，合并，并最终离开加热器表面由于浮力，这将湍流引入域中。与该湍流相关的热传递是设计用于汽车和工业部件的冷却系统中的重要参数，但是难以通过实验观察/测量来量化借助Flash-X，我们能够通过有针对性的高保真模拟来量化湍流热通量的贡献，从而应对这一挑战4. 影响FLASH自问世以来一直是一种有影响力的天体物理流计算代码FLASH的科学影响力通过描述该代码的原始论文的引用历史清楚地证明，如图所示。 五、[36，37]中的分析进一步量化了科学意义和代码对科学的影响。FLASH不仅被广泛用于科学，它也是重视软件质量和采用严格的审计和生产力实践的先驱之一[38]。Anshu Dubey，Klaus Weide，Jared软件X 19（2022）1011685见图4。 使用Flash-X进行流动沸腾模拟的示例。液体冷却剂以平均速度U流过加热器表面，导致相变和形成蒸汽泡的。气泡动力学引入湍流，其增强加热器表面与冷却剂之间的热传递，如温度（T）等值线所示。图五. 来自Google Scholar和ADS的原始FLASH论文的引用历史。近年来，由于无法有效地使用加速器，FLASH的使用在一些社区中已经减少。Flash-X旨在填补这一空白，并成为早期依赖FLASH的社区的可靠多物理场仿真代码。至少有两个主要的FLASH用户社区，恒星天体物理学[4，33]和这些用例还报告了使用GPU带来的性能提升。并非所有的FLASH物理功能都可以在Flash-X中使用。然而，由于Flash-X是开源的，因此预计有兴趣的用户将帮助将他们感兴趣的功能过渡到Flash-X架构，并帮助发展Flash-X社区。此外，用于协调数据和工作移动的新工具链仍处于早期阶段。初步对运行时工具的性能研究一直很受欢迎[39]。预计到下一个主要版本发布5. 结论ECP下的持续资助使当前和未来平台的高性能社区代码得以现代化。有了Flash-X，FLASH科学社区可以拥抱异构性，并有效地使用可用的硬件随着向开放的、基于社区的开发模式的转变，用户可以确保代码的连续性和支持，而不依赖于单一的资金来源。FLASH在科学发现方面有着悠久的历史，而Flash-X旨在继承这一传统。有了更现代的求解器和灵活的架构，Flash-X可以继续成为依赖于偏微分方程建模的科学领域的一个非常有用的资源。CRediT作者贡献声明Anshu Dubey：概念化，方法论，软件，验证，写作-初稿，监督，项目管理，资金获取。克劳斯·韦德：概念化，方法论，软件，验证，写作JaredAkash Dhruv：概念化，方法论，软件，验证，写作-原始草案。 肖恩 治疗床： 方法学、软件、验证、写作– review 奥 斯 汀 哈 里 斯 ： 方 法 ， 软 件 ， 验 证 ， 写 作 TomKlosterman：概念化，方法论，软件，验证。Rajeev Jain：概念化，方法学，软件，验证。约翰·鲁迪：概念化，写作布朗森·梅塞尔：Anshu Dubey，Klaus Weide，Jared软件X 19（2022）1011686方法论，写作Michael Pajkos：软件，验证。 Jared Carl-son：软件，验证. 朱冉：软件，确认，编写-原始草案. 默罕默德·瓦希卜：概念化，写作Saurabh Chawdhary：软件，验证。Paul M.概念化，方法论，软件，验证，写作-评论编辑&。Dongwook Lee：概念化，方法论，软件，验证。概念化，方法论，软件，验证，写作凯瑟琳·MRiley：概念化，方法论，软件，验证，写作-评论编辑&. 克里斯托弗·戴利：方法论，软件，验证。Murali Ganapathy：概念化，软件，验证。弗朗西斯十世Timmes：概念化，方法论，软件，验证，写作-评论编辑&。迪恩·M Townsley：方法论，软件，验证，写作-评 论 编 辑 & 。 Marcos Vanella ： 方 法 学 ， 软 件 ， 验 证 。 JohnBachan：方法学，软件，验证。Paul M.丰富：软件，验证。 Shra-van Kumar：方法学，软件，验证. Eirik Endeve：方法论，软件，写作-评论编辑，监督。W.方法论，软件，验证，写作-审查编辑&.安东尼·梅扎卡帕：写作- Thomas Papatheodore：软件，验证。竞合利益作者声明以下经济利益/个人关系可被视为潜在的竞争利益：Anshu Dubey报告美国能源部提供了财政支持数据可用性文章中描述的研究未使用任何数据致谢作者感谢Flash-X代码的所有贡献者，包括Flash- X继承的Flash代码的贡献者。这项工作得到了美国能源部高级科学计算研究办公室的支持，合同号为DE-AC 02 - 06 CH 1137。这项研究得到了Exascale计算项目的支持。（17-SC-20-SC），这是美国能源部两个组织的合作成果（科学办公室和国家核安全管理局），负责规划和准备一个有能力的百亿亿级生态系统，包括软件、应用程序、硬件、先进系统工程和早期试验台平台，以支持国家的 亿 万 级 计 算 需 求 。这项研究使用了橡树岭领导计算设施的资源，这是一个美国能源部科学用户设施办公室根据合同DE-AC 05 - 00 OR 22725支持。提交的手稿由UChicago Argonne，LLC，Argonne国家实验室（“Argonne”）的运营商创建。阿贡，美国能源部科学实验室办公室，根据合同号DE-AC 02 - 06 CH 11357运营。美国政府为自己和其他代表其行事的人保留，在所述文章中，由政府或代表政府提供复制、制作衍生作品、向公众分发副本、公开表演和公开展示的已能源部将根据能源部公共获取计划，向公众提供这些联邦 资 助 研 究 的 结 果 http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan.引用[1]闪光X 网址https://github.com/Flash-X/Flash-X。[2]Dubey A，Antypas K，Ganapathy MK，Reid LB，Riley K，Sheeler D，etal. 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