世界的第二快超级计算机运行从来最大的宇宙的仿真

By Keith Cooper

 published 19 hours ago

The Universe

将被天文学家用来测试宇宙学的标准模型的仿真。

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一个前沿仿真的样本，显示一个大质量的星系团在一个膨胀的宇宙中跨数十亿年的演变。在右侧放大的图像中，星跟踪器粒子跟踪星系的形成和它们的随前沿时间的运动. (Image credit: Argonne National Laboratory/U.S Dept of Energy)

这台世界的第二快的超级计算机——在它的本月更早竞争对手机器上线之前曾经是最快的——已经创造了迄今为止最复杂的宇宙的计算机仿真。该仿真的目标是来测试研究人员描述为“宇宙学流体动力学”的。

这台超级计算机被称为前沿（Frontier），活在橡树岭国家实验室并且是装置的野兽。被作为第一台超级计算机建造，它能执行高达 1.1 exaFLOPS，这等于每秒 1.1X10^18或 1100000000000000000000000次浮点运算。它被用 9472 个 AMD 中央处理器和 37888 个 AMD 图形处理单元组成。（这是惊人量的 CPU 和 GPU）。按照 AMD 网站，前沿是世界中最快的超级计算机，直到另一台位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的名为艾尔卡皮坦（El Capitan ）的超级计算机2024 年 11 月以1.742 exaFLOPS 超越它为止。

来自位于伊利诺伊州美国能源部阿贡国家实验室的一个团队，在阿贡计算科学部门主任哈比布（Salman Habib）领导下，在前沿上用了它的大约 15 年前首次开发的硬件/混合加速宇宙学代码 （HACC），硬件/混合加速宇宙学代码建模宇宙的演变，它的代码被编写以便它可被适应凡是在任何给定时间最快的超级计算机的。

硬件/混合加速宇宙学代码最初被部署在皮塔级超级计算机（能够千万亿次 FLOPS的）上，这些比前沿和艾尔卡皮坦是更不强大的。例如，由阿贡团队的一个项目是来用硬件/混合加速宇宙学代码在 最高点（Summit ）超级计算机上建模三种不同的宇宙学，最高点是一台皮塔级计算机，在 2018 年 11 月至 2020 年 6 月期间是世界上最快的计算机。这三个仿真被以来自《星际迷航》宇宙中的行星命名：库奥诺斯（Qo'nos ）仿真（以克林贡母星命名）用宇宙学的标准模型（涉及暗能量和冷暗物质的计算）建模，乌尔堪（Vulcan）仿真了包括大质量中微子，而费伦吉纳尔仿真（Ferenginar以费伦吉母星命名）探索了一个在那里暗能量不是常数而是随着时间变化了的宇宙。来自最高点仿真的结果表明了当暗能量变化时它能导致在早期宇宙中更强的星系聚集——某些天文学家可以在高红移星系勘察中寻找的东西，这意味着星系勘察探究极遥远宇宙的口袋。

以许多方式，生成的仿真与主要深天文勘察如斯隆数字天空勘察或即将到来的由维拉鲁宾天文台进行的勘察一样庞大和详细。

然而，最高点仿真是“仅引力”仿真，也就是说它们不足够强大到包含其他力或影响。

哈比布在一份声明中说，“如果我们要仿真被智利鲁宾天文台等大型望远镜之一勘察到的宇宙中一大块，你正在谈论的是观察巨大的时间块——数十亿年的膨胀。直到最近除了仅引力近似中的那些，我们甚至不能想象做这样一个大的仿真” 。

需要更强大的来包括除引力外的其他力和效应的仿真，这就是前沿的地方，能源部的一个名为外天空（ExaSky） 的18亿美元资助超尺度计算的项目支持进来。

在宇宙学的标准模型中，两个成分统治：暗物质和暗能量。构成你和我的物质——所谓的重子物质——构成宇宙中物质和能量的不到 5%。

哈比布说，“如此，如果我们要知道宇宙要来做什么，我们需要仿真这两个东西 [暗物质和暗能量] ......引力以及包括热气体的所有其他物理学和恒星、黑洞和星系的形成 ”。他称之为“可以说是天体物理学的厨房水槽。这些......是我们叫宇宙学流体动力学仿真的”。

为准备硬件/混合加速宇宙学代码在前沿上运行，外天空项目的要求是硬件/混合加速宇宙学代码必须至少 在前沿上运行速度比它在巨人（Titan ）上更快 50 倍，巨人是 2012 年当硬件/混合加速宇宙学代码最初被开发时世界上最快的超级计算机。在它在前沿上的试运行期间，硬件/混合加速宇宙学代码吹了这一要求出水，证明速度更快近 300 倍。

橡树岭领导计算设施的科学主任布朗森·梅塞尔 （Bronson Messer） 称赞硬件/混合加速宇宙学代码添加“包括重子和所有其他动态物理学的物理真实主义，使该仿真成为前沿的一个真实旅途”。

这些仿真将向天文学界开放，将允许研究人员来探索他们的宇宙学模型，询问有关暗物质的性质、暗能量强度的问题或寻求替代引力模型例如修正牛顿动力学 （MOND）。然后仿真能被比较到真实天文勘察正在发现的，来确定哪种模型最拟合观测。

这一切都引发一个引人入胜的哲学问题：如果计算能力继续增加，我们的宇宙的仿真将并行的生长的更详细和准确，但它在哪里结束呢？

一些科学思想家已经建议我们自己可能生活在一个仿真中，也许为某些另外人的来模拟现实的试图的产物。如果我们正在一个仿真内部创建仿真，那么也许它真的是一路向下的乌龟。