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5万GPU4天模拟13万亿粒子:美国超算图什么,中国差哪步?

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据外媒Interesting Engineering,美国阿贡实验室在Aurora上完成两次迄今最大宇宙学模拟:8100节点、约5万GPU,13.4万亿暗物质粒子,盒子边长286亿光年;两次模拟加大部分分析约4天。

Aurora每节点6块GPU,8100×6≈4.86万;整机约6.4万GPU,FP64峰值1.012 EFLOPS,这次用七成半。13.4万亿比富岳Uchuu的2.1万亿高一个量级。按盒子粗算,粒子平均间距约120万光年。它研究宇宙网,不研究单个星系。

暗物质只有引力,无碰撞、无压强、不发光。每个粒子要感受其余13.4万亿个粒子的合力,直接算N²不可行。实际用TreePM:短程树结构,长程网格+FFT,复杂度N log N。每步要全局通讯,几万GPU的瓶颈常在互联带宽和同步。精度约随N^(1/3)提升:分辨率翻倍,粒子数乘8。一个快照约320TB,几十个上PB;4天含存储和分析。

过去要几周几月。现在4天,能批量生产模拟宇宙。观测只有一个宇宙,误差棒得靠多个模拟统计。暗能量方程、中微子质量、原初谱指数一改就重跑,才能和巡天对上。Euclid、LSST、DESI正把数据推高几十倍。谁有模拟库,谁有资格解释数据;没库,只能用别人的产物。



硬件最易误读。神威用申威SW26010众核,天河用国产互联。业内普遍认为中国已部署多台E级系统,只是不交TOP500。不排名是策略,不是能力缺口。真短板是GPU软件栈。Aurora靠代码重写成GPU原生,用混合精度:粒子位置压到单/半精度,只保力累加精度。国内昇腾、寒武纪、海光DCU都在推,双精度和HBM带宽追得快,难在把CUDA时代科学代码迁过去。这是体力活,也是必答题。

观测牌很好。LAMOST做大规模光谱,FAST在中性氢和脉冲星上不可替代,悟空、锦屏PandaX/CDEX做暗物质探测。最关键是中国空间站巡天望远镜CSST:17500平方度,弱透镜、超新星、星系巡天一起做,数据量对标Euclid和LSST。模拟库必须提前备好,否则数据浪费。国内长期用GADGET、Arepo,也自研并行N体代码,在神威众核上移植优化有经验。缺的不是人,是国家级、公共化、持续更新的宇宙学模拟库。国内还各自为战。

不在峰值算力。E级机器中国有,且不止一台。在代码:CPU集群代码要重构为GPU优先,还要在混合精度下保证引力收敛,这是几千人年的工程。在数据:PB级产物要统一格式、统一接口、公开可查,让全国研究生能下载一个“模拟宇宙”做课题,而不是每组重复造轮子。电力散热也是硬约束,“东数西算”在解。中国有工程化速度、超算中心密度、自主观测设备和CSST/FAST/SKA需求端。连起来,才是闭环。

宇宙学三十年前是观测科学,谁有望远镜谁说话。今天正变成计算科学:谁能在4天里跑完一个宇宙,谁才有资格说自己理解宇宙。中国不缺望远镜,不缺超算,也不缺人。缺的是把三者连成公共模拟库的那根线。线不补,CSST看到的是数据;补上,才叫解释权。

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