有史以来最大的模拟：前沿超级计算机模拟宇宙

在阿贡国家实验室，科学家们利用"前沿"（Frontier）超级计算机创建了一个前所未有的宇宙模拟，涵盖 100 亿光年的跨度，并结合了复杂的物理模型。这项成就让人们对星系的形成和宇宙演化有了新的认识，展示了超大规模计算的强大能力。

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

美国能源部阿尔贡国家实验室的科学家们创造了迄今为止最大的宇宙天体物理模拟，实现了一个突破性的里程碑。 这一模拟由"前沿"超级计算机实现，该计算机最近成为世界上最强大的超级计算机。 它的规模反映了先进望远镜和天文台进行的大规模勘测，提供了前所未有的宇宙洞察力。

位于田纳西州橡树岭国家实验室的 Frontier 目前是全球速度第二快的超级计算机，仅次于El Capitan，后者于 2024 年 11 月拔得头筹。 值得注意的是，Frontier 是世界上第一台超大规模超级计算机，它现在与 El Capitan 共享这一殊荣，两者都代表着计算能力的最前沿。

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

这一创纪录的模拟展示了超大规模计算的巨大能力。 前沿计算的强大功能使模拟的精确度达到了以前无法企及的水平，让科学家们能够以非凡的细节为宇宙建模。 然而，要充分发挥超大规模技术的潜力，需要采用创新的编程方法，这也反映了这一下一代计算前沿技术的复杂性。

前沿是天体物理模拟的一次重大飞跃。 它覆盖了 100 亿光年的宇宙空间。 它包含了暗物质、暗能量、气体动力学、恒星形成和黑洞生长的详细物理学模型。 它将为宇宙中的一些基本过程提供新的见解，例如星系是如何形成的以及宇宙的大尺度结构是如何演变的。

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）和常规物质（即原子物质）。"

他说："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。"

宇宙学流体力学模拟将宇宙学与流体力学相结合，使天文学家能够研究重力与气体动力学和恒星过程等已经形成并将继续形成我们宇宙的事物之间复杂的相互关系。 由于其复杂程度以及所涉及的大量数字方程和计算，只能通过超级计算机进行。

前沿进行这些模拟所需的能源数量惊人。 它消耗的电力约为 21 兆瓦，足以为美国约 15000 个独户住宅供电。 但其回报同样令人印象深刻。

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，那么你将看到巨大的时间块--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。"

橡树岭领先计算设施科学主任布朗森-梅塞尔（Bronson Messer）说："不仅是物理域的大小，这也是通过超大规模计算与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更多物理现实性也使这次模拟成为前沿的一次真正的巡演。"

橡树岭国家实验室的 Exascale 级 HPE Cray EX 超级计算机。 资料来源：ORNL 的 OLCF

前沿模拟的不仅仅是宇宙。 今年 6 月，研究人员利用它实现了另一个里程碑。 他们在模拟水的过程中模拟了一个由 4660 亿个原子组成的系统。 这是迄今为止模拟的最大系统，比最接近的竞争对手大 400 多倍。 由于水是细胞的主要成分，Frontier 正在为最终模拟活细胞铺平道路。

"前沿"有望在其他多个领域取得进展，包括核裂变和核聚变以及大规模能源传输系统。 它还被用于生成量子分子动力学模拟，其大小和速度都是前代产品的 1000 倍。 它还可应用于疾病建模、开发新药、更好的电池、更好的材料（包括混凝土），以及预测和减缓气候变化。

像"前沿"这样的天体物理/宇宙学模拟如果与观测数据相结合，就会发挥巨大的作用。 科学家可以利用模拟来检验与观测数据相比较的理论模型。 通过改变模拟的初始条件和参数，研究人员可以了解不同因素对结果的影响。 这是一个迭代过程，科学家们可以通过找出观测结果与模拟结果之间的差异来更新他们的模型。

"前沿"的巨大模拟只是超级计算机和人工智能如何在天文学和天体物理学中发挥更大作用的一个例子。 现代天文学产生了海量数据，需要强大的工具来管理。 我们的宇宙学理论基于越来越大的数据集，而这些数据集需要大量的计算能力来模拟。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的另一台超大规模超级计算机 El Capitan 已经取代了"前沿"。 不过，根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的说法，El Capitan 主要用于管理国家的核储备。

改编自今日宇宙上最初发表的一篇文章。