Workshop du code Smilei pour simuler des plasmas

La simulation est un travail central pour les recherches liées aux lasers de haute puissance, de par la complexité des processus de leur interaction avec la matière. Afin de créer et fédérer une communauté de chercheurs dans ce domaine, des chercheurs du Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI*), du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR*) et de la Maison de la Simulation au CEA ont créé le code Smilei. Ce dernier résout des systèmes d’équations à dérivées partielles précises, les équations couplées de Maxwell et de Vlasov. Pour ce faire, la méthode dite de "particle-in-cell" (PIC) est utilisée, et consiste à décrire les champs électromagnétiques sur une grille (ensemble de cellules, d'où la notion de "cell"), alors que la dynamique du plasma est décrite en suivant le mouvement de particules caractéristiques.

Aujourd’hui, les applications de Smilei sont nombreuses et couvrent de multiples champs. On retrouve dans la littérature scientifique plus d’une centaine de papiers de recherche traitant de simulations réalisées avec ce code particle-in-cell open-source. Il peut notamment modéliser des interactions laser-plasma, notamment l’effet « laser wakefield » qui piège des électrons dans le sillage d’un laser à des vitesses proches de la lumière dans le vide. L’astrophysique des hautes énergies avec les rayons cosmiques, ou encore la physique spatiale avec l’étude des vents solaires sont également modélisables par ce code polyvalent. Smilei est également doté d’un module, appelé Happi, pour le post-traitement des données et la création d’images, de graphiques, et même de vidéos.

Du 9 au 11 mars a eu lieu le 3e workshop dédié au code, organisé à l’École polytechnique par l’équipe toujours grandissante de développement. Cet évènement hautement international a rassemblé près de 80 participants d’Europe, de Chine, des Etats-Unis, et de Russie. Avec plus de 10h de travaux pratiques et de nombreuses présentations de résultats et retours d’expériences par des utilisateurs de Smilei, les échanges au sein du workshop s’adressaient aux codeurs confirmés comme aux novices.

L’aspect communautaire de Smilei est au cœur de sa conception et de son évolution. En effet, en plus d’être accessible à tous et de posséder de multiples documents en ligne aidant à prendre en main le logiciel, les développeurs ont créé un chat afin que les utilisateurs puissent échanger entre eux et qu’il leur soit possible de poser et répondre à toutes questions. L’accessibilité de Smilei et son optimisation lui ont permis de prendre une place importante au niveau international.

Optimisé pour les super-ordinateurs, Smilei réalise des simulations sur toutes les plus grandes machines françaises, et également à l’international, comme le super-ordinateur le plus puissant actuel, Fugaku, situé au Japon.

Smilei s’inscrit dans la compétition mondiale stratégique pour le premier super-ordinateur exascale, à laquelle participe la France. Une telle machine sera capable de réaliser 10 puissance 18 (soit un milliard de milliard) opérations en virgule flottante par seconde. Smilei est en cours d’optimisation pour qu’il puisse tirer pleinement parti des capacités du calcul exascale.

* LLR : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris
LULI : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, CEA, Sorbonne Université