在阿貢國家實驗室，科學家利用”前沿”（Frontier）超級電腦創建了一個前所未有的宇宙模擬，涵蓋100 億光年的跨度，並結合了複雜的物理模型。這項成就讓人們對星系的形成和宇宙演化有了新的認識，展現了超大規模運算的強大能力。

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

美國能源部阿爾貢國家實驗室的科學家們創造了迄今為止最大的宇宙天文物理模擬，實現了一個突破性的里程碑。 這項模擬由”前沿”超級電腦實現，該電腦最近成為世界上最強大的超級電腦。 它的規模反映了先進望遠鏡和天文台進行的大規模勘測，提供了前所未有的宇宙洞察力。

位於田納西州橡樹嶺國家實驗室的Frontier 目前是全球第二快的超級計算機，僅次於El Capitan，後者於2024 年11 月拔得頭籌。 值得注意的是，Frontier 是世界上第一台超大規模超級計算機，它現在與El Capitan 共享這一殊榮，兩者都代表著運算能力的最前沿。

放大到”前緣”模擬中，恆星示蹤粒子追蹤星系的形成及其隨時間的移動。 圖片來源：美國能源部阿貢國家實驗室

這項創紀錄的模擬展示了超大規模運算的巨大能力。 前沿運算的強大功能使模擬的精確度達到了以前無法企及的水平，讓科學家們能夠以非凡的細節為宇宙建模。 然而，要充分發揮超大規模技術的潛力，需要採用創新的程式設計方法，這也反映了這項下一代運算尖端技術的複雜性。

前沿是天文物理模擬的重大飛躍。 它覆蓋了100 億光年的宇宙空間。 它包含了暗物質、暗能量、氣體動力學、恆星形成和黑洞生長的詳細物理學模型。 它將為宇宙中的一些基本過程提供新的見解，例如星係是如何形成的以及宇宙的大尺度結構是如何演變的。

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）和常規物質（即原子物質）。

他說：『因此，如果我們想知道宇宙到底是怎麼回事，我們就需要模擬這兩樣東西：引力以及包括熱氣體在內的所有其他物理學，還有恆星、黑洞和星系的形成。可以說是天文物理學的’廚房水槽’。

宇宙學流體力學模擬將宇宙學與流體力學相結合，使天文學家能夠研究重力與氣體動力學和恆星過程等已經形成並將繼續形成我們宇宙的事物之間複雜的相互關係。 由於其複雜程度以及所涉及的大量數字方程式和計算，只能透過超級電腦進行。

前沿進行這些模擬所需的能源數量驚人。 它消耗的電力約為21 兆瓦，足以為美國約15,000 個獨戶住宅供電。 但其回報同樣令人印象深刻。

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，那麼你將看到巨大的時間塊–數十億年的宇宙膨脹。

橡樹嶺領先計算設施科學主任布朗森-梅塞爾（Bronson Messer）說：”不僅是物理域的大小，這也是透過超大規模計算與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更多物理現實性也使這次模擬成為前沿的一次真正的巡迴演出。

橡樹嶺國家實驗室的Exascale 級HPE Cray EX 超級電腦。 資料來源：ORNL 的OLCF

前沿模擬的不僅是宇宙。 今年6 月，研究人員利用它實現了另一個里程碑。 他們在模擬水的過程中模擬了一個由4,660 億個原子組成的系統。 這是迄今為止模擬的最大系統，比最接近的競爭對手大400 倍以上。 由於水是細胞的主要成分，Frontier 正在為最終模擬活細胞鋪平道路。

“前沿”預計在其他多個領域取得進展，包括核分裂和核融合以及大規模能源傳輸系統。 它也被用於產生量子分子動力學模擬，其大小和速度都是前代產品的1000 倍。 它還可應用於疾病建模、開發新藥、更好的電池、更好的材料（包括混凝土），以及預測和減緩氣候變遷。

像”前沿”這樣的天文物理/宇宙學模擬如果與觀測數據結合，就會發揮巨大的作用。 科學家可以利用模擬來檢驗與觀測資料比較的理論模型。 透過改變模擬的初始條件和參數，研究人員可以了解不同因素對結果的影響。 這是一個迭代過程，科學家可以透過找出觀測結果與模擬結果之間的差異來更新他們的模型。

“前沿”的巨大模擬只是超級電腦和人工智慧如何在天文學和天文物理學中發揮更大作用的一個例子。 現代天文學產生了海量數據，需要強大的工具來管理。 我們的宇宙學理論是基於越來越大的資料集，而這些資料集需要大量的運算能力來模擬。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的另一台超大規模超級電腦El Capitan 已經取代了”前沿”。 不過，根據勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的說法，El Capitan 主要用於管理國家的核子儲備。

改編自今日宇宙上最初發表的一篇文章。