Небольшая выборка из симуляций Frontier показывает эволюцию расширяющейся Вселенной в регионе с массивным скоплением галактик от миллиардов лет назад до настоящего времени (слева). Красные области показывают более горячие газы с температурой 100 миллионов Кельвинов и выше. При увеличении (справа) частицы звездных следов отслеживают формирование галактик и их движение во времени. Фото предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США.
Вселенная стала намного больше – по крайней мере, в мире компьютерного моделирования. В начале ноября исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики использовали самый быстрый в мире суперкомпьютер для проведения крупнейшего когда-либо проводившегося астрофизического моделирования Вселенной.
Достижение было достигнуто с помощью суперкомпьютера Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж. Эти расчеты устанавливают новый стандарт для моделирования космологической гидродинамики и обеспечивают новую основу для одновременного моделирования физики атомной материи и темной материи. Размер моделирования соответствует обзорам крупных телескопов-обсерваторий, что ранее было невозможно в таком масштабе.
«Во Вселенной есть два компонента: темная материя, которая, насколько нам известно, взаимодействует только посредством гравитации, и обычная материя, или атомная материя», — сказал руководитель проекта Салман Хабиб, руководитель отдела вычислительных наук в Аргонне.
«Поэтому, если мы хотим знать, что задумала Вселенная, нам нужно смоделировать обе вещи: гравитацию, а также все другие физические аспекты, включая горячие газы и образование звезд, черных дыр и галактик», — сказал он. «Астрофизическая «кухонная мойка», так сказать. Мы называем эти симуляции космологическими гидродинамическими симуляциями».
Неудивительно, что космологическое гидродинамическое моделирование требует гораздо большего объема вычислений и его гораздо сложнее выполнить, чем моделирование расширяющейся Вселенной, учитывающее только эффекты гравитации.
«Например, если бы нам пришлось смоделировать большую часть Вселенной, изучаемую одним из крупных телескопов, таких как обсерватория Рубин в Чили, мы говорим об огромных периодах времени — миллиардах лет расширения», — сказал Хабиб. «До недавнего времени мы даже не могли себе представить, чтобы можно было провести такую масштабную симуляцию, за исключением приближения чистой гравитации».
Код суперкомпьютера, используемый в моделировании, называется HACC, сокращение от «Аппаратно-гибридный ускоренный космологический код». Он был разработан около 15 лет назад для петамасштабных машин. В 2012 и 2013 годах HACC был финалистом премии Гордона Белла Ассоциации вычислительной техники в области информатики.
Позже HACC был значительно улучшен в рамках ExaSky — специального проекта под руководством Хабиба в рамках Exascale Computing Project (ECP). Проект объединил тысячи экспертов для разработки передовых научных приложений и программных инструментов для грядущей волны суперкомпьютеров экзафлопсного класса, способных выполнять более триллиона или миллиарда вычислений в секунду.
В рамках ExaSky исследовательская группа HACC провела последние семь лет, добавляя новые функции в код и повторно оптимизируя его для работы на экзафлопсных машинах с ускорителями графического процессора. Требование ECP заключалось в том, что коды должны работать примерно в 50 раз быстрее, чем раньше, на Титане, самом быстром суперкомпьютере на момент запуска ECP. HACC работал на суперкомпьютере экзафлопсного класса Frontier и был почти в 300 раз быстрее эталонного запуска.
Новые модели моделирования достигли рекордной производительности за счет использования примерно 9000 вычислительных узлов Frontier на базе графических процессоров AMD Instinct MI250X. Frontier расположен в вычислительном центре ORNL в Ок-Ридже (OLCF).
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
«Для обеспечения прямого сравнения с современными наблюдениями, полученными с помощью экзафлопсных вычислений, необходим не только сам размер физической области», — сказал Бронсон Мессер, директор по науке OLCF. «Именно дополнительный физический реализм за счет включения барионов и всей другой динамической физики делает эту симуляцию настоящим шедевром для Frontier».
Помимо Хабиба, в состав команды HACC, участвовавшей в создании достижений и других симуляциях, предшествующих работе над Frontier, входят Майкл Бюльманн, Джей Ди Эмберсон, Катрин Хайтманн, Патрисия Ларсен, Адриан Поуп, Эстебан Ранхель и Николас Фронтьер, которые разработали симуляции под руководством Frontier. .
Перед запуском Frontier сканирование параметров HACC было выполнено на суперкомпьютере Perlmutter в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. HACC также был запущен в масштабе на суперкомпьютере Aurora экзафлопсного класса в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF).
Информация от: Национальной лабораторией Ок-Ридж.
