We present an integrated study on the scalability and performance of particle-in-cell (PIC) code simulations on CPU and GPU architectures of high parallelization focused on target normal sheath acceleration (TNSA) and laser wakefield acceleration (LWFA) experiments. The developed models follow the experimental specifications of the high-power lasers systems hosted at the infrastructures of the Institute of Plasma Physics & Lasers of the Hellenic Mediterranean University in Crete, Greece and the Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics in Romania. The simulations are implemented on the High-Performance Computer for Advanced Research Information System of the Greek National Infrastructures for Research and Technology. Two representative experiments for TNSA and for LWFA are initially simulated by 2D models with the minimum computational resource demands and the results are used as a reference for the scalability and performance investigation. We further extend our study to 3D models aiming to reproduce the physics involved in both laser-plasma particle accelerators. A detailed analysis of the simulation results, accompanied with the computational demands, scalability and performance of the CPU and the GPU architectures, is provided. Our research findings highlight the key features and parameters of the physical and numerical models which drive simulations to converge to reliable results by means of physics, computational and runtime demands and shed light on their influence on the efficiency and performance of the PIC simulations.
我々は、高並列化されたCPUおよびGPUアーキテクチャ上での粒子インセル（PIC）コードシミュレーションのスケーラビリティと性能に関する統合的研究を提示する。この研究は、標的シース加速（TNSA）およびレーザー航跡場加速（LWFA）実験に焦点を当てている。開発されたモデルは、ギリシャのクレタ島にあるヘレニック地中海大学のプラズマ物理・レーザー研究所と、ルーマニアの極限光インフラストラクチャー・原子核物理学研究所に設置された高出力レーザーシステムの実験仕様に従っている。シミュレーションは、ギリシャの研究技術インフラストラクチャーのための高性能計算機システム上で実装されている。TNSAおよびLWFAのための2つの代表的な実験は、最初に最小限の計算リソース要求で2次元モデルによりシミュレーションされ、その結果はスケーラビリティと性能の調査のための参照として使用される。我々はさらに、両方のレーザープラズマ粒子加速器に関わる物理を再現することを目的として、3次元モデルに研究を拡張する。シミュレーション結果の詳細な分析が、CPUおよびGPUアーキテクチャの計算要求、スケーラビリティ、性能とともに提供される。我々の研究は、物理的・計算的・実行時要求の観点から、信頼性の高い結果に収束するシミュレーションを駆動する物理モデルおよび数値モデルの主要な特徴を明らかにし、PICシミュレーションの効率と性能に及ぼすそれらの影響に光を当てるものである。