Scientific simulation, which provides a natural bridge between theory and experiment, is an essential tool for understanding complex plasma behaviour. Recent advances in simulations of magnetically confined plasmas are reviewed in this paper, with illustrative examples, chosen from associated research areas such as microturbulence, magnetohydrodynamics and other topics. Progress has been stimulated, in particular, by the exponential growth of computer speed along with significant improvements in computer technology. The advances in both particle and fluid simulations of fine-scale turbulence and large-scale dynamics have produced increasingly good agreement between experimental observations and computational modelling. This was enabled by two key factors: (a) innovative advances in analytic and computational methods for developing reduced descriptions of physics phenomena spanning widely disparate temporal and spatial scales and (b) access to powerful new computational resources. Excellent progress has been made in developing codes for which computer run-time and problem-size scale well with the number of processors on massively parallel processors (MPPs). Examples include the effective usage of the full power of multi-teraflop (multi-trillion floating point computations per second) MPPs to produce three-dimensional, general geometry, nonlinear particle simulations that have accelerated advances in understanding the nature of turbulence self-regulation by zonal flows. These calculations, which typically utilized billions of particles for thousands of time-steps, would not have been possible without access to powerful present generation MPP computers and the associated diagnostic and visualization capabilities. In looking towards the future, the current results from advanced simulations provide great encouragement for being able to include increasingly realistic dynamics to enable deeper physics insights into plasmas in both natural and laboratory environments. This should produce the scientific excitement which will help to (a) stimulate enhanced cross-cutting collaborations with other fields and (b) attract the bright young talent needed for the future health of the field of plasma science.
科学的シミュレーションは、理論と実験の間の自然な橋渡しを提供し、複雑なプラズマの挙動を理解するための必須のツールである。本論文では、磁気閉じ込めプラズマのシミュレーションにおける最近の進歩を、微視的乱流、磁気流体力学、その他の関連分野から選ばれた例示とともに概説する。進歩は、特に、コンピュータ速度の指数関数的成長と、コンピュータ技術の大幅な改善によって促進されてきた。微細スケールの乱流と大規模ダイナミクスの両方に関する粒子シミュレーションと流体シミュレーションの進歩により、実験観測と計算モデリングの間の一致はますます良好になっている。これは、2つの重要な要因によって可能になった。(a) 広く異なる時間スケールと空間スケールにわたる物理現象の縮約記述を開発するための解析的および計算的方法における革新的な進歩、および (b) 強力な新しい計算リソースへのアクセスである。大規模並列プロセッサ(MPP)上で、計算実行時間と問題サイズがプロセッサ数に応じて良好にスケーリングするコードの開発において、優れた進歩が達成されている。例としては、マルチテラフロップス(毎秒数兆回の浮動小数点演算)のMPPの全能力を効果的に活用して、3次元の一般形状における非線形粒子シミュレーションを実行し、帯状流による乱流の自己制御の性質の理解を加速したことが挙げられる。これらの計算は、典型的には数十億の粒子を数千の時間ステップにわたって使用し、現在の世代の強力なMPPコンピュータと、それに付随する診断および可視化機能へのアクセスがなければ不可能であった。将来を見据えると、高度なシミュレーションからの現在の結果は、ますます現実的なダイナミクスを含めることを可能にし、自然環境および実験室環境の両方におけるプラズマへのより深い物理的洞察を可能にすることへの大きな期待を与える。これは、科学的興奮を生み出し、(a) 他の分野との横断的な連携を促進し、(b) プラズマ科学の分野の将来の健全性に必要な優秀な若手人材を引き付けるのに役立つであろう。