Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики создали крупнейшую астрофизическую модель Вселенной за всю историю. Они использовали до недавнего времени самый мощный суперкомпьютер в мире для моделирования Вселенной в беспрецедентных масштабах. Размер моделирования соответствует крупнейшим обзорам мощных телескопов и обсерваторий.
Суперкомпьютер Frontier расположен в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Это второй по скорости суперкомпьютер в мире после El Capitan, который вышел на первое место в ноябре 2024 года. Frontier — первый в мире экзафлопсный суперкомпьютер, хотя El Capitan входил в число экзафлопсных суперкомпьютеров.
Новая симуляция Frontier является рекордной и на данный момент является крупнейшей симуляцией Вселенной, когда-либо проводившейся. Его экзафлопсные вычисления позволяют моделировать уровень детализации, который был недостижим до его реализации. Exascale настолько продвинут, что трудно полностью использовать его возможности без новых парадигм программирования.
Frontier представляет собой значительный скачок в астрофизическом моделировании. Она охватывает объем Вселенной диаметром 10 миллиардов световых лет. Он содержит подробные физические модели темной материи, темной энергии, газовой динамики, звездообразования и роста черных дыр. Его цель — дать новое представление о некоторых фундаментальных процессах во Вселенной, например, о том, как формируются галактики и как развивается крупномасштабная структура Вселенной.
«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 компьютерных 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».
Моделирование космологической гидродинамики объединяет космологию с гидродинамикой, позволяя астрономам изучать сложные взаимосвязи между гравитацией и такими вещами, как газовая динамика и звездные процессы, которые сформировали и продолжают формировать нашу Вселенную. Из-за сложности и большого количества численных уравнений и расчетов их можно выполнить только с помощью суперкомпьютеров.
Огромное количество энергии, необходимое Frontier для запуска этих симуляций, ошеломляет. Он потребляет около 21 МВт электроэнергии, чего достаточно для питания около 15 000 частных домов в США. Но отдача не менее впечатляющая.
«Например, если бы нам пришлось смоделировать большую часть Вселенной, изучаемую одним из больших телескопов, таких как обсерватория Рубин в Чили, мы говорим о рассмотрении огромных периодов времени — миллиардов 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».
«Для обеспечения прямого сравнения с современными наблюдениями, полученными с помощью экзафлопсных вычислений, необходим не только сам размер физической области», — сказал Бронсон Мессер, научный директор Центра вычислительных систем лидерства в Ок-Ридже. «Именно дополнительный физический реализм за счет включения барионов и всей другой динамической физики делает эту симуляцию настоящим проявлением силы для Frontier».
Frontier моделирует не только вселенную. В июне исследователи, работающие над этим, достигли еще одной важной вехи. Они смоделировали систему из 466 миллиардов атомов в модели воды. Это была самая крупная система, когда-либо моделировавшаяся, и она была более чем в 400 раз больше, чем ее ближайший конкурент. Поскольку вода является основным компонентом клеток, Frontier открывает путь к возможному моделированию живой клетки.
Frontier обещает добиться успехов во многих других областях, включая ядерное деление и синтез, а также крупномасштабные системы передачи энергии. Он также использовался для создания моделирования квантовой молекулярной динамики, в 1000 раз большего по размеру и скорости, чем любой из его предшественников. Он также находит применение в моделировании заболеваний, разработке новых лекарств, более совершенных батареях, лучших материалах, включая бетон, а также в прогнозировании и смягчении последствий изменения климата.
Астрофизические/космологические модели, подобные модели Frontier, являются мощными в сочетании с наблюдениями. Ученые могут использовать моделирование для проверки теоретических моделей на данных наблюдений. Изменяя начальные условия и параметры моделирования, исследователи могут увидеть, как различные факторы влияют на результаты. Это итеративный процесс, который позволяет ученым обновлять свои модели путем выявления расхождений между наблюдениями и моделированием.
Масштабное моделирование Frontier — лишь один пример того, как суперкомпьютеры и искусственный интеллект играют все большую роль в астрономии и астрофизике. Современная астрономия генерирует огромные объемы данных и требует мощных инструментов для управления ими. Наши космологические теории основаны на все больших наборах данных, моделирование которых требует огромных вычислительных мощностей.
На смену Frontier уже пришел El Capitan, еще один экзафлопсный суперкомпьютер Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL). Однако, по данным LLNL, Эль-Капитан сосредоточен на управлении запасами ядерного оружия страны.
