Суперкомп’ютер Frontier моделює найбільшу симуляцію Всесвіту

У Аргоннській національній лабораторії вчені використали суперкомп’ютер Frontier, щоб створити безпрецедентну симуляцію Всесвіту, яка охоплює проміжок у 10 мільярдів світлових років і містить складні фізичні моделі. Це монументальне досягнення дозволяє по-новому глянути на формування галактик і космічну еволюцію, демонструючи глибокі можливості екзамасштабних обчислень.

Прорив у моделюванні Всесвіту

Вчені з Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики досягли революційної віхи, створивши найбільшу на сьогодні астрофізичну симуляцію Всесвіту. Це моделювання стало можливим завдяки суперкомп’ютеру Frontier, який нещодавно був найпотужнішим у світі. Його масштаби відображають масштабні дослідження, проведені передовими телескопами та обсерваторіями, пропонуючи безпрецедентне розуміння космосу.

Frontier, розташований у Національній лабораторії Оук-Рідж у штаті Теннессі, наразі є другим найшвидшим суперкомп’ютером у світі, поступившись лише El Capitan, який вийшов вперед у листопаді 2024 року. Примітно, що Frontier є першим у світі ексамасштабним суперкомп’ютером, і ця відмінність тепер поділяється з El Capitan, обидва з яких представляють найновішу обчислювальну потужність.

Нова ера в астрофізиці

Це рекордне моделювання демонструє величезні можливості ексамасштабних обчислень. Потужність Frontier дозволяє моделювати з недосяжним раніше рівнем точності, дозволяючи вченим моделювати Всесвіт із надзвичайними деталями. Однак використання ексамасштабної технології в повній мірі вимагає інноваційних підходів до програмування, що відображає складність цього обчислювального кордону нового покоління.

Frontier — це значний стрибок в астрофізичному моделюванні. Він охоплює частину Всесвіту розміром 10 мільярдів світлових років. Він містить докладні фізичні моделі темної матерії, темної енергії, газової динаміки, утворення зірок і зростання чорної діри. Це має дати нове розуміння деяких фундаментальних процесів у Всесвіті, наприклад, як утворюються галактики та як розвивається великомасштабна структура Всесвіту.

Розуміння складових Всесвіту

«У Всесвіті є два компоненти: темна матерія, яка, наскільки нам відомо, взаємодіє лише гравітаційно, і звичайна матерія, або атомна матерія». сказав керівник проекту Салман Хабіб, директор відділу обчислювальних наук в Argonne.

«Отже, якщо ми хочемо знати, що задумано у Всесвіті, нам потрібно змоделювати обидві ці речі: гравітацію, а також всю іншу фізику, включаючи гарячий газ, і формування зірок, чорних дір і галактик», — сказав він. сказав. «Так би мовити, астрофізична «кухонна раковина». Це моделювання є тим, що ми називаємо моделюванням космологічної гідродинаміки».

Механіка космологічного моделювання

Симуляції космологічної гідродинаміки поєднують космологію з гідродинамікою та дозволяють астрономам досліджувати складні взаємозв’язки між гравітацією та такими речами, як газова динаміка та зоряні процеси, які формували та продовжують формувати наш Всесвіт. Їх можна проводити лише за допомогою суперкомп’ютерів через рівень складності та величезну кількість числових рівнянь і обчислень.

Вимоги до енергії та наукові результати

Велика кількість енергії, яка потрібна Frontier для виконання цих симуляцій, вражає. Він споживає близько 21 МВт електроенергії, цього достатньо для живлення близько 15 000 односімейних будинків у США. Але виграш настільки ж вражаючий.

«Наприклад, якщо ми змоделюємо великий шматок Всесвіту, досліджений одним із великих телескопів, таких як обсерваторія Рубіна в Чилі, ви говорите про величезні шматки часу — мільярди років розширення», — Хабіб. сказав. «Донедавна ми навіть уявити собі не могли таке масштабне моделювання, як це, окрім як у наближенні лише гравітації».

Потужність Exascale Computing

«Для прямого порівняння із сучасними спостереженнями, які дають змогу обчислювати в екзамасштабі, необхідний не лише сам розмір фізичної області», — сказав Бронсон Мессер, науковий директор Oak Ridge Leadership Computing Facility. «Це також додатковий фізичний реалізм, який включає баріони та всю іншу динамічну фізику, що робить цю симуляцію справжньою екскурсією для Frontier».

Frontier моделює більше, ніж просто Всесвіт. У червні дослідники, які працюють з ним, досягли ще однієї віхи. Вони змоделювали систему з 466 мільярдів атомів у симуляції води. Це була найбільша система з коли-небудь змодельованих і більш ніж у 400 разів більша за найближчу конкурентну систему. Оскільки вода є основним компонентом клітин, Frontier прокладає шлях до можливої ​​симуляції живої клітини.

Frontier також обіцяє досягти прогресу в багатьох інших сферах, включаючи ядерний поділ і термоядерний синтез і великомасштабні системи передачі енергії. Його також використовували для моделювання квантової молекулярної динаміки, який у 1000 разів більший за розміром і швидкістю, ніж будь-який з його попередників. Його також можна застосувати для моделювання захворювань, розробки нових ліків, кращих батарей, кращих матеріалів, зокрема бетону, а також для прогнозування та пом’якшення кліматичних змін.

Поєднання моделювання зі спостереженнями

Астрофізичне/космологічне моделювання, подібне до Frontier, є потужним, коли воно поєднується зі спостереженнями. Вчені можуть використовувати моделювання для перевірки теоретичних моделей у порівнянні з даними спостережень. Зміна початкових умов і параметрів у моделюванні дозволяє дослідникам побачити, як різні фактори формують результати. Це ітеративний процес, який дозволяє вченим оновлювати свої моделі, виявляючи розбіжності між спостереженнями та моделюванням.

Величезне моделювання Frontier є лише одним із прикладів того, як суперкомп’ютери та штучний інтелект відіграють все більшу роль в астрономії та астрофізиці. Сучасна астрономія створює величезні обсяги даних і потребує потужних інструментів для керування. Наші теорії космології базуються на все більших і більших наборах даних, для моделювання яких потрібна величезна обчислювальна потужність.

Frontier вже замінив El Capitan, ще один ексамасштабний суперкомп’ютер у Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса (LLNL). Однак El Capitan зосереджений на управлінні ядерними запасами країни відповідно до LLNL. Адаптовано статтю, спочатку опубліковану на Universe Today.