Introducing PSuM
PSuM：通用异构的 PIC 框架。
Particle-in-cell Skeleton using Meta-programming.
帮助研究者轻松编写具有前沿性能的 PIC 仿真程序。
已应用于等离子体电推进、空间物理等领域的前沿研究。
Reiner Gamma: 月球局地磁场与太阳风相互作用，呈现出的不均匀等离子体分布。
Technology
为现代异构硬件而生。
PSuM 让同一份 C++ 代码在 CPU 和 GPU 上运行，切换计算设备时，无需重写仿真算法。
无论使用 CPU 还是 GPU，粒子操作、场量处理和方程求解都保持各自一致的接口，让你更专注于物理模型与计算过程。
SYCL 多后端
单源 SYCL 面向 CUDA、OpenMP 等后端编译期切换，跨硬件迁移不改算法表达。
GPU 全流程
粒子遍历、推动、沉积、边界相交与场求解在设备侧执行。
模板元编程
类型、算子变体以模板实现，不引入额外性能开销；使用concept类型断言减少用户开发中的潜在误用。
双层lambda
分离资源准备与计算逻辑，以统一写法表达 CPU 与 GPU 并行计算。
插件化求解器
前端负责离散与矩阵装配，后端通过统一接口提供求解能力；针对不同硬件特性提供优化的求解器后端。
访存优化
粒子数据结构优化数据存储与空间复用，减少不必要的数据搬移，改善访存行为。
Python支持
基于pybind11提供内部序列化格式的python导出；更多python支持开发中。
MPI跨节点
通过 MPI 进行跨节点通信，结合节点内 CPU、GPU 异构计算，支持跨节点与异构设备的多层次并行。
在纯CPU运行和异构计算间切换时，代码零修改或仅调整少量配置。
⋯
sycl::queue q{};
grid2D grid({-1.0, -1.0}, {1.0, 1.0}, {256, 256});
using ParticleGroup = particle_group<Particle, pos_x_nan_is_invalid>;
ParticleGroup particles(q);
node_field2D<double> phi(q, grid), rho(q, grid);
solver_backend backend("cuda_sparselu_gpu");⋯
Performance
前沿性能，来自真实计算。
从粒子计算到场求解，PSuM 先进的计算性能均经过实际测试与复核。
粒子操作实测性能 · RTX4090
Showcase
多样、不断增长的物理应用。
从经典算例到前沿研究，PSuM 已用于等离子体电推进、空间物理等领域的诸多问题。
PSuM 丰富的建模功能和优化的计算性能，让更复杂、更大规模的物理仿真成为可能。
这里汇集了部分应用中的仿真图像与动态演示。
一维双流不稳定性发展中的相空间分布，或许是最经典的静电PIC算例
比较
可与知名项目相较。
| 比较点 | PSuM | WarpX | Smilei |
|---|---|---|---|
| 原生异构 | ✓ | ✓ | 部分 |
| 单源多平台 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 网格局部加密 | 实验性（多分块网格） | ✓（AMR） | 实验性 |
| 复杂三维粒子边界 | ✓（支持 STL 文件） | ✓（嵌入式边界） | 实验性 |
| 守恒性 PIC | 部分 | 部分 | 部分 |
| 隐式/半隐式方案 | 实验性 | ✓ | 实验性 |
| 静电模型支持 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 电磁模型支持 | — | ✓ | ✓ |
| GPU 加速的泊松特化算法 | ✓（多重网格+稀疏直接法） | 部分 | 部分 |
| 方程一般性边界条件 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 复杂粒子-壁面相互作用 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 高阶粒子形状 | 实验性 | ✓ | ✓ |
| 粒子间碰撞（MCC、DSMC、库仑碰撞） | ✓ | ✓ | ✓ |
| 可变粒子类型与属性标签 | ✓ | ✓ | ✓ |
| MPI 并行 | ✓ | ✓ | ✓ |
| Python 支持 | 实验性（pypsum） | ✓ | ✓ |
| 类型信息驱动的序列化 | ✓（MAS 格式） | 部分 | 部分 |
| 自动化回归测试+多平台 CI | ✓ | ✓ | ✓ |
Resources
从这里了解更多。
PIC方法What is PIC
了解 PIC 如何描述带电粒子的运动及其与电磁场的相互作用。熟悉基本概念和计算流程，为阅读算例和编写仿真程序建立基础。
PSuM文档站Docs · API
从安装环境、运行首个算例，到编写自己的仿真程序，按需查阅 PSuM 的使用与开发文档。内容涵盖依赖配置、编程指南、框架设计和代码规范。
开源开放Source · Issues
PSuM 已在 GitHub / Gitee 双站开源。阅读项目源码，了解各模块的组织方式与底层实现；反馈使用体验、提出功能建议或贡献改进。
依赖项目AdaptiveCpp · Eigen …
了解支撑 PSuM 的基础工具与库，包括负责异构编译的 AdaptiveCpp、提供线性代数能力的 Eigen，以及相关 GPU 和并行计算组件。
学术发表Research · Publications
PSuM 项目已用于等离子体物理、空间物理的前沿研究。阅读相关研究论文，了解 PSuM 中的计算技术、所服务的物理问题、仿真应用背景。
PSuM之外JLPP Laboratory
PSuM的开发团队来自JLPP实验室。我们长期致力于等离子体和空间推进交叉领域的理论及应用研究。