COAST COmputational ASTrophysics
Simulations Numériques en astrophysique

Logo du Projet COAST montrant le résultat d'une simulation cosmologique.

 Site Web du projet COAST

 Présentation:

La modélisation s’est installée au SAp en 1982 et a immédiatement bénéficié des capacités informatiques du CEA. Le SAp s’est imposé dans la communauté internationale en précisant et validant les processus physiques de l’évolution stellaire classique. Puis une nouvelle étape a été franchie en 1996 avec l’arrivée des simulations hydrodynamiques multidimensionnelles consacrées à la cosmologie et au milieu interstellaire. Aujourd’hui de nouveaux challenges liés à la simulation 3D de nombreux processus astrophysiques conduisent à reconsidérer l’organisation de notre service en simulations numériques astrophysiques.

Thèmes et programmes du Dapnia

Simulations numériques en astrophysique, calcul intensif et visualisation

Objectif

Le terme de « simulation numérique » est en général utilisé pour désigner plusieurs activités en pratiques très différentes. Le programme « Simulations Numériques » que nous défendons n’a pas la prétention de recouvrir l’ensemble de ces activités, mais uniquement celles qui définissent aujourd'huii ce que l'on appelle "le calcul haute performance" et qui s’appuient sur les quatre étapes suivantes:


1.Développement de nouveaux algorithmes : cette activité est essentielle à toute activité de simulation qui vise à se développer. Il s’agit d’être à l’écoute des progrès réalisés en mathématiques appliquées, à mettre en pratique ces progrès dans le cadre astrophysique qui nous caractérise, ou à inventer de nouvelles approches spécifiques à nos problèmes (gravité, transfert). Les codes 1D sont des outils indispensables à cette étape du travail.

2.Calcul parallèle sur machine centralisée : nous avons accès aux moyens de calcul civils du CCRT à Bruyères-le-Châtel. Le pilotage de ce type d’ordinateurs est complexe, et s’apparente à l’utilisation d’un grand équipement (télescope ou accélérateur). A cette expertise indispensable s’ajoute la nécessité de développer des codes parallèles en utilisant les librairies OpenMP ou MPI.

3.Traitement des données : les codes de simulations numériques actuels peuvent générer plusieurs Téraoctets (To) de données en quelques semaines. Ces données sont en général archivées sur place (à Bruyères-le-Châtel). Le post-traitement de ces données brutes est une phase cruciale, puisqu’elle conduit aux résultats scientifiquement exploitables. Or, il est impossible de traiter ces données intégralement sur le centre de calculs : temps d’attente trop long, développement parallèle trop complexe, saturation de la machine avec une myriade de petits jobs. Il faut donc rapatrier une partie de ces données en local (au DAPNIA), afin de les exploiter de façon plus flexible. Il faut pour cela une machine locale de taille suffisante.

4.Visualisation des données : C’est la dernière étape de notre activité de simulation numérique. La visualisation des données tridimensionnelles s’effectue exclusivement sur des machines locales, au DAPNIA, et de taille suffisante pour des objets graphiques 3D. Le SAp a pour tradition d’utiliser le logiciel IDL pour le traitement d’image : c’est aussi notre cas pour les simulations. Le logiciel SDvision développé au DAPNIA depuis 2006 permet de traiter nos problèmes spécifiques, à savoir la taille des données que nous manipulons et la structure complexe des objets (grilles adaptatives 3D, harmoniques sphériques…).

Le programme COAST de Simulations Numériques en Astrophysique a démarré en 2005 avec la création d'une équipe mixte SAp/SEDI; il comprend maintenant 7 physiciens permanents du SAp et 4 ingénieurs en développement logiciel du laboratoire LILAS du SEDI. Le projet ambitionne de développer les codes de simulation numérique du SAp (méthodes numériques,optimisation,parallélisation), de créer des outils de post-traitement capables d'interpréter et visualiser les résultats des différents codes, de créer des bases de données distribuées des résultats et de gérer les versions des sources d'une façon homogène. L'expertise dans les différents domaines de physique (cosmologie,milieu interstellaire,disques protoplanétaires,physique stellaire et physique des plasmas denses et chauds créés pas laser) ainsi que les compétences acquises en analyse numérique et en développement logiciel ont permis aux membres de COAST d'être partie prenante, souvent en tant que leaders, de collaborations extérieures: projet Horizon (projet ANR en collaboration avec le CNRS,l'INSU et l'IAP), projet Odalisc (projet de base de données d'opacités, en collaboration avec l'ILP et le CEA/DAM), projet MAGNET (projet ANR de MHD en collaboration avec l'ENS et le CETP), projet SINERGHY (projet ANR de recherche en rayonnement, gravitation et hydrodynamique avec le CELIA de Bordeaux). L'équipe COAST encadre aussi des stagiaires en informatique et des thésards ou post-docs en astrophysique. La valorisation du projet COAST passe aussi par une participation active à des conférences internationales orientées astrophysique, simulation ou génie logiciel, ainsi que par le développement d'un site Web dédié.

Le premier objectif est évidemment de rendre le travail quotidien plus facile à chacun des membres du programme. L’achat d’une machine de calcul locale est une condition impérative. Il existe aussi une grande synergie entre nos activités : parallélisation des codes, développement d’algorithmes, visualisation. La mise en commun de notre savoir-faire au sein d’une structure vivante et visible va améliorer considérablement notre efficacité. Il existe aussi plusieurs projets de développement de codes en gestation : parallélisation MPI dans FARGO, géométrie sphérique dans RAMSES, couplage HR avec RAMSES, qui permettent un développement fort des thèmes scientifiques sous-jacents.

Nous souhaitons aussi formuler des objectifs exigeants et tangibles dans le cadre de notre programme :

1.Mise à disposition des codes internes au SAp (donc pas ASH) et de leur documentation à toute personne du SAp sur un répertoire SVN.
2.Mise à disposition des résultats de simulations à toute personne du SAp qui le souhaite sur une base de données interne.
3.Mise à disposition des images et des films sur un site Web (interne et externe) à des fins de communications.
4.Proposer un enseignement de qualité dans le domaine des simulations et assurer la formation en interne pour l’utilisation des codes et des concepts.

Nous souhaitons que le comité des chefs de laboratoires se réunisse une fois par an avec le chef de service pour évaluer les résultats obtenus pour chacun de ces objectifs, donner des orientations stratégiques aux membres du programme, et éventuellement étudier les manques.


Localisation

Service d'Astrophysique
Batiment 709
Orme des Merisiers
Centre CEA de Saclay

Collaboration

Institut d'Astrophysique de Paris
Observatoire de Paris-Meudon
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Centre de Recherche Astronomique de Lyon
Mathématiques Appliquées Bordeaux I
Centre pour l'Etude des Laseres Intenses et Applications (Bordeaux I)
Institut Laser Plasma
Laboratory of Computational Dynamics (University of Colorado, Boulder)
Universidad Autonoma Nacional de Mexico (Mexico)

Contacts:

Romain TEYSSIER 
Bruno THOORIS 
Edouard AUDIT 

 

 

 

last update : 03-16 00:00:00-2010 (458)

Projet SN2NS
SuperNova to Neutron Stars

Instability of the accretion shock: numerical simulation by F. Masset

SN2NS: Supernova explosions, from stellar core-collapse to neutron stars and black holes.

SN2NS is a 4-year program of the French agency ANR whose goal is the modeling of stellar core-collapse, leading to the birth of neutron stars and black holes. It involves three laboratories:
- Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) in the CEA (Saclay)
- Laboratoire Univers et Theories (LUTh) in the Observatoire de Paris (Meudon)
- Institut de Physique Nucleaire (IPN) in the Université Paris 11 (Orsay)

 

Contact :

see also the SN2NS dedicated scientific site

 

Experimental illustration of the hydrodynamical instability breaking the axial symmetry before the explosion, using a shallow water analog

Aims

 The SN2NS project gathers the expertises of three groups in IRFU (Saclay), IPN (Orsay) and LUTh (Meudon), in order to develop a numerical tool to simulate and understand the core-collapse taking place at the end of the life of massive stars exceeding 9 solar masses. The first second of the collapse determines both the onset of supernova explosions, and the birth conditions of neutron stars and black holes.

  The core-collapse problem depends on the complex interplay of nuclear physics, neutrino physics, hydrodynamics and general relativity. Recent progress on the core-collapse problem has been driven by the discovery of its multidimensional nature, due to large scale hydrodynamical instabilities which break the spherical symmetry. How does the global shape of the explosion depend on the mass and spin of the progenitor ? Observable consequences are the explosion threshold of the supernova, the mass, kick and spin of the residual neutron star or black hole, and their gravitational waves signature.

 

Numerical simulation of gravitational waves, by J. Novak

The group at IRFU/SAp (T. Foglizzo) is dedicated to characterizing the hydrodynamical consequences of the multidimentional instabilities. The nuclear physicists involved at IPN (J. Margueron, E. Kahn) and LUTh (M. Oertel) will develop an equation of state adapted to the high temperatures of both neutron star and black hole formation. In order to characterize the threshold between the formation of a neutron star and a black hole, the expertise of the group of numerical relativity at LUTh (J. Novak, E. Gourgoulhon) will be crucial. The general relativistic code "CoCoNut" will be improved with a realistic equation of state and evolutive prescriptions for neutrino transport. A Newtonian version of CoCoNut will also be used at IRFU, together with the code RAMSES, to simulate stationary accretion in order to characterize the 3D evolution of the shock instability.

The major strengths of the SN2NS project come from i) the complementarity of the numerical and analytical tools for the understanding of 3D hydrodynamical processes, ii) the modelling of supernova explosion for massive progenitors including black hole formation and iii) the collaboration with nuclear physicists for an advanced treatment of the equation of state.

Advanced techniques for the visualisation of multidimensional simulations will participate to the valorisation of the results in the scientific community as well as for the public.

 

last update : 03-09 00:00:00-2011 (2992)

The RAMSES code
Author: Romain Teyssier

Examples of domain decomposition used in
RAMSES to perform parallel computing.

RAMSES was developped in Saclay to study large scale structure and galaxy formation.
It is now a rather flexible package to be used for general purpose simulations in self-gravitating fluid dynamics.
It is written in Fortran 90 with extensive use of the MPI library.
The current version is 1.0: it is a free software for non-commercial use only.

RAMSES

This code is a grid-based hydro solver with adaptive mesh refinement. The data structure is called a "fully threaded tree". As opposed to "patch-based AMR", cells are refined on a cell by cell basis: it is therefore called a "tree-based AMR". A very simple interface based on "Fortran namelists" can be used to specify runtime parameters. A few routines can be modified to set more complex initial or boundary conditions. The 4 main modules are:
- the AMR module with grid refinement, parallel communications and time steping.
- the hydro module with a second-order unsplit Godunov solver with various slope limiters and Riemann solvers.
- the N body module for colisionneless particles dynamics
- the Poisson module with a multigrid solver for the coarse grid and a Conjugate-Gradient solver on the fine grids.

Download

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Exemple of AMR grid obtained during a high-resolution cosmological simulation. Each color corresponds to a given level of refinement. Only oct boundaries are shown for clarity.

Credit

RAMSES was written by Romain TEYSSIER, and is under CEA Copyright.
This software is governed by the CeCILL license under French law and abiding by the rules of distribution of free software. You can use, modify and/or redistribute the software under the terms of the CeCILL license as circulated by CEA, CNRS and INRIA (see http://www.cecill.info ).
As a counterpart to the access to the source code and rights to copy, modify and redistribute granted by the license, users are provided only with a limited warranty and the software's author, the holder of the economic rights, and the successive licensors have only limited liability. In this respect, the user's attention is drawn to the risks associated with loading, using, modifying and/or developing or reproducing the software by the user in light of its specific status of free software, that may mean that it is complicated to manipulate, and that also therefore means that it is reserved for developers and experienced professionals having in-depth IT knowledge. Users are therefore encouraged to load and test the software's suitability as regards their requirements in conditions enabling the security of their systems and/or data to be ensured and, more generally, to use and operate it in the same conditions as regards security.
The fact that you are presently reading this means that you have had knowledge of the CeCILL license and that you accept its terms.

 

http://irfu.cea.fr/projets/site_ramses

last update : 03-16 00:00:00-2010 (904)

 

• Détection des rayonnements Simulation et traitement des données Structure de l'Univers

• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers • Le Service d'Astrophysique et le Laboratoire AIM • Le service d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique 

• Groupe simulation • Laboratoire Ingénierie Logicielle pour les Applications Scientifiques 

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