“前沿”超級電腦實現了最大規模的宇宙天文物理模擬
研究人員利用”前沿”超級電腦進行了迄今為止最大規模的天文物理模擬,模擬了宇宙尺度的原子和暗物質。 這得歸功於HACC 的進步,HACC 是專為在前沿級超級電腦上運行而開發的程式碼,現在每秒能夠進行五萬億次運算。 宇宙學流體力學模擬的這項突破將有助於將觀測數據與理論模型相匹配。
宇宙剛剛擴張–至少在電腦模擬領域。本月早些時候,美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員利用世界上最快的超級電腦的力量,執行了有史以來最大規模的宇宙天文物理模擬。
橡樹嶺國家實驗室的Frontier(”前沿”)超級電腦使這項突破性模擬成為可能。 計算為宇宙學流體力學設定了新標準,為同時模擬原子物質和暗物質提供了開創性的方法。 模擬的規模與大型望遠鏡勘測的規模相匹配,這在以前是無法達到的。
來自”前沿”模擬的一個小樣本揭示了一個包含巨大星系團的區域從數十億年前到現在宇宙膨脹的演變過程。 紅色區域顯示的是較熱的氣體,溫度達到1 億開爾文或更高。 資料來源:美國能源部阿貢國家實驗室
阿貢計算科學部主任、計畫負責人薩爾曼-哈比卜(Salman Habib)說:「宇宙中有兩個組成部分:暗物質–據我們所知,暗物質只與重力相互作用;常規物質,即原子物質。是天文物理學的’廚房水槽’。這些模擬就是我們所說的宇宙學流體力學模擬”。
與只涉及引力效應的膨脹宇宙模擬相比,宇宙學流體力學模擬的計算成本要高得多,進行起來也困難得多。
哈比卜說:「舉例來說,如果我們要模擬智利魯賓天文台等大型望遠鏡所觀測到的宇宙的一大塊區域,你就會看到巨大的時間塊–數十億年的宇宙膨脹。
放大”前緣”模擬,恆星示蹤粒子追蹤星系的形成及其隨時間的移動。 資料來源:美國能源部阿貢國家實驗室
模擬中使用的超級電腦程式碼名為HACC,是硬體/混合加速宇宙學程式碼的簡稱。 它是大約15年前為千萬億次級電腦開發的。 2012 年和2013 年,HACC 入圍了計算機械協會的戈登-貝爾計算獎。
後來,HACC 作為ExaSky的一部分進行了大幅升級,這是哈比卜在超大規模計算項目(或稱為ECP)內領導的特別項目。 該計畫匯集了數千名專家,為即將到來的、每秒運算能力超過五億億次(或十億億次)的超大規模超級電腦浪潮開發先進的科學應用和軟體工具。
作為ExaSky的一部分,HACC研究團隊在過去七年為程式碼添加了新功能,並對其進行了重新優化,使其能夠在由GPU加速器驅動的超大規模機器上運行。 ECP 的一項要求是,程式碼在泰坦(ECP 啟動時速度最快的超級電腦)上的運行速度比之前快約50 倍。 在埃級超級電腦”前沿”上運行的HACC 比參考運行速度快了近300 倍。
這些新穎的模擬透過使用大約9000 個由AMD Instinct MI250X GPU 驅動的Frontier 運算節點實現了破紀錄的效能。 Frontier位於ORNL的橡樹嶺領導運算設施(Oak Ridge Leadership Computing Facility,簡稱OLCF)。
OLCF科學主任布朗森-梅塞爾(Bronson Messer)說:「不僅是物理域的大小,這是與超大規模計算所實現的現代勘測觀測進行直接比較的必要條件。包括重子和所有其他動態物理學在內的附加物理逼真性也使這次模擬成為前沿的一次真正的巡演。
除了哈比卜之外,HACC團隊成員還包括邁克爾-布赫爾曼(Michael Buehlmann)、JD-恩伯森(JD Emberson)、卡特琳-海特曼(Katrin Heitmann)、帕特里夏-拉森(Patricia Larsen)、阿德里安-波普(Adrian Pope)、埃斯特班-蘭熱爾(Esteban Rangel)和領導”前沿”模擬的尼古拉斯-弗朗蒂爾(Nicholas Frontiere)。
在Frontier 上運行之前,HACC 的參數掃描是在勞倫斯伯克利國家實驗室國家能源研究科學計算中心(NERSC)的Perlmutter 超級電腦上進行的。 HACC 也在阿貢領導力運算設施(ALCF)的外差級Aurora 超級電腦上進行了大規模運作。
2024年11月初,美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員利用地球上最快的超級電腦”前沿”(Frontier)運行了有史以來最大的宇宙天文物理模擬。 這部影片展示了Frontier-E 模擬中最大天體的形成過程。 左側面板顯示了大天體周圍64x64x76 Mpc/h 的模擬子體積(大約是整個模擬體積的1e-5),右側面板則提供了近距離觀察的畫面。 在每個面板中,我們都顯示了按溫度著色的氣體密度場。 在右圖中,白色圓圈表示恆星粒子,黑色圓圈表示AGN 粒子。 資料來源:美國能源部阿貢國家實驗室。
OLCF、ALCF 和NERSC 是能源部科學辦公室的使用者設施。這項研究得到了能源部科學辦公室下屬的ECP 和先進科學計算研究與高能物理計畫的支持。
編譯自/ ScitechDaily