"前沿"超级计算机实现了最大规模的宇宙天体物理模拟

研究人员利用"前沿"超级计算机进行了迄今为止最大规模的天体物理模拟，模拟了宇宙尺度的原子和暗物质。 这得益于 HACC 的进步，HACC 是专为在前沿级超级计算机上运行而开发的代码，现在每秒能够进行五万亿次计算。 宇宙学流体力学模拟的这一突破将有助于将观测数据与理论模型相匹配。

宇宙刚刚扩张--至少在计算机模拟领域。本月早些时候，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员利用世界上速度最快的超级计算机的力量，执行了有史以来最大规模的宇宙天体物理模拟。

橡树岭国家实验室的Frontier（"前沿"）超级计算机使这一突破性模拟成为可能。 计算为宇宙学流体力学设定了新标准，为同时模拟原子物质和暗物质提供了开创性的方法。 模拟的规模与大型望远镜勘测的规模相匹配，这在以前是无法达到的。

来自"前沿"模拟的一个小样本揭示了一个包含巨大星系团的区域从数十亿年前到现在宇宙膨胀的演变过程。 红色区域显示的是较热的气体，温度达到 1 亿开尔文或更高。 资料来源：美国能源部阿贡国家实验室

阿贡计算科学部主任、项目负责人萨尔曼-哈比卜（Salman Habib）说："宇宙中有两个组成部分：暗物质--据我们所知，暗物质只与引力相互作用；常规物质，即原子物质。因此，如果我们想知道宇宙到底是怎么回事，我们就需要模拟这两样东西：引力以及包括热气体在内的所有其他物理学，还有恒星、黑洞和星系的形成。可以说是天体物理学的'厨房水槽'。 这些模拟就是我们所说的宇宙学流体力学模拟"。

与只涉及引力效应的膨胀宇宙模拟相比，宇宙学流体力学模拟的计算成本要高得多，进行起来也困难得多。

哈比卜说："举例来说，如果我们要模拟智利鲁宾天文台等大型望远镜所观测到的宇宙的一大块区域，你就会看到巨大的时间块--数十亿年的宇宙膨胀。直到最近，我们都无法想象能进行如此大规模的模拟，除非是在只有引力的近似情况下。"

放大"前沿"模拟，恒星示踪粒子追踪星系的形成及其随时间的移动。 资料来源：美国能源部阿贡国家实验室

模拟中使用的超级计算机代码名为 HACC，是硬件/混合加速宇宙学代码的简称。 它是大约15年前为千万亿次级计算机开发的。 2012 年和 2013 年，HACC 入围了计算机械协会的戈登-贝尔计算奖。

后来，HACC 作为ExaSky的一部分进行了大幅升级，这是哈比卜在超大规模计算项目（或称 ECP）内领导的一个特别项目。 该项目汇集了数千名专家，为即将到来的、每秒计算能力超过五亿亿次（或十亿亿次）的超大规模级超级计算机浪潮开发先进的科学应用和软件工具。

作为ExaSky的一部分，HACC研究团队在过去七年里为代码添加了新功能，并对其进行了重新优化，使其能够在由GPU加速器驱动的超大规模机器上运行。 ECP 的一项要求是，代码在泰坦（ECP 启动时速度最快的超级计算机）上的运行速度要比之前快约 50 倍。 在埃级超级计算机"前沿"上运行的 HACC 比参考运行速度快了近 300 倍。

这些新颖的模拟通过使用大约 9000 个由 AMD Instinct MI250X GPU 驱动的 Frontier 计算节点实现了破纪录的性能。 Frontier位于ORNL的橡树岭领导计算设施（Oak Ridge Leadership Computing Facility，简称OLCF）。

OLCF科学主任布朗森-梅塞尔（Bronson Messer）说："不仅是物理域的大小，这是与超大规模计算所实现的现代勘测观测进行直接比较的必要条件。包括重子和所有其他动态物理学在内的附加物理逼真性也使这次模拟成为前沿的一次真正的巡演。"

除了哈比卜之外，HACC团队成员还包括迈克尔-布赫尔曼（Michael Buehlmann）、JD-恩伯森（JD Emberson）、卡特琳-海特曼（Katrin Heitmann）、帕特里夏-拉尔森（Patricia Larsen）、阿德里安-波普（Adrian Pope）、埃斯特班-兰热尔（Esteban Rangel）和领导"前沿"模拟的尼古拉斯-弗朗蒂尔（Nicholas Frontiere）。

在 Frontier 上运行之前，HACC 的参数扫描是在劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的 Perlmutter 超级计算机上进行的。 HACC 还在阿贡领导力计算设施（ALCF）的外差级 Aurora 超级计算机上进行了大规模运行。

2024年11月初，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员利用地球上速度最快的超级计算机"前沿"（Frontier）运行了有史以来最大的宇宙天体物理模拟。 这部影片展示了 Frontier-E 模拟中最大天体的形成过程。 左侧面板显示了大天体周围 64x64x76 Mpc/h 的模拟子体积（大约是整个模拟体积的 1e-5），右侧面板则提供了近距离观察的画面。 在每个面板中，我们都显示了按温度着色的气体密度场。 在右图中，白色圆圈表示恒星粒子，黑色圆圈表示 AGN 粒子。 资料来源：美国能源部阿贡国家实验室。

OLCF、ALCF 和 NERSC 是能源部科学办公室的用户设施。这项研究得到了能源部科学办公室下属的 ECP 和先进科学计算研究与高能物理计划的支持。

编译自/ScitechDaily