Второй по скорости суперкомпьютер в мире (он был самым быстрым, пока его конкурирующая машина не вышла в сеть в начале этого месяца) создал самую сложную на сегодняшний день компьютерную симуляцию Вселенной.
Цель этой симуляции — проверить то, что исследователи называют «космологической гидродинамикой».
Суперкомпьютер, известный как Frontier, находится в Национальной лаборатории Оук-Ридж и является чудовищем среди устройств. Созданный как первый суперкомпьютер exascale, он может выполнять до 1,1 exaFLOPS, что равно 1,1 квинтиллиона (10^18 или 1 100 000 000 000 000 000) операций с плавающей запятой в секунду. Он состоит из 9 472 центральных процессоров AMD (ЦП) и 37 888 графических процессоров AMD (ГП). (Это ошеломляющее количество как ЦП, так и ГП). Frontier был самым быстрым суперкомпьютером в мире, пока другой суперкомпьютер, названный El Capitan и расположенный в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, не обогнал его с 1,742 exaFLOPS в ноябре 2024 года, согласно веб-сайту AMD .
Команда из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в Иллинойсе под руководством директора отделения вычислительной науки в Аргонне Салмана Хабиба использовала свой аппаратный/гибридный ускоренный космологический код (HACC) на Frontier. Впервые разработанный около 15 лет назад, HACC моделирует эволюцию Вселенной , а его код был написан таким образом, чтобы его можно было адаптировать для любого самого быстрого суперкомпьютера в любой момент времени.
Первоначально HACC был развернут на суперкомпьютерах петафлопсного масштаба (способных выполнять квадриллионы FLOPS), которые менее производительны, чем Frontier и El Capitan. Например, один из проектов команды из Аргонна заключался в использовании HACC для моделирования трех различных космологий на суперкомпьютере Summit, петафлопсном компьютере, который был самым быстрым в мире с ноября 2018 года по июнь 2020 года. Три симуляции были названы в честь планет из вселенной Star Trek : симуляция Qo’nos (названная в честь родного мира клингонов) моделировала вселенную с использованием стандартной модели космологии (которая включает расчеты как темной энергии, так и холодной темной материи ); симуляция Vulcan включала массивные нейтрино , а симуляция Ferenginar (названная в честь родного мира ференги) исследовала вселенную, где темная энергия не была постоянной, а изменялась со временем . Результаты моделирования Summit показали, что изменение темной энергии может привести к более сильному скоплению галактик в ранней Вселенной — то, что астрономы могли бы искать в обзорах галактик с высоким красным смещением , то есть в обзорах галактик, которые исследуют области чрезвычайно далекой Вселенной.
Во многих отношениях полученные моделирования столь же масштабны и подробны, как и крупные глубокие астрономические исследования, такие как Слоановское цифровое исследование неба , или предстоящие исследования, которые будут проводиться обсерваторией Веры К. Рубин .
Однако моделирование Summit было основано на « только гравитации », то есть оно было недостаточно мощным, чтобы включить другие силы или эффекты.
«Если бы мы смоделировали большой кусок Вселенной, наблюдаемый одним из крупных телескопов , таких как обсерватория Рубина в Чили, мы бы говорили о наблюдении за огромными отрезками времени — миллиардами лет расширения», — сказал Хабиб в своем заявлении . «До недавнего времени мы даже не могли себе представить, что сможем провести такую большую симуляцию, разве что в приближении, учитывающем только гравитацию».
Требовались более мощные симуляции, включающие другие силы и эффекты, помимо гравитации, и вот тут-то на помощь приходит Frontier, поддерживаемый проектом Министерства энергетики США ExaSky стоимостью 1,8 млрд долларов, направленным на финансирование эксафлопсных вычислений.
В стандартной модели космологии доминируют два компонента: темная материя и темная энергия. Вещество, из которого мы с вами состоим — так называемая барионная материя — составляет менее 5% материи и энергии во Вселенной.
«Итак, если мы хотим узнать, что происходит во Вселенной, нам нужно смоделировать обе эти вещи [темную материю и темную энергию]… гравитацию, а также всю остальную физику, включая горячий газ и образование звезд , черных дыр и галактик», — сказал Хабиб. Он называет это «астрофизической кухонной раковиной, так сказать. Это… то, что мы называем симуляциями космологической гидродинамики».
Чтобы подготовить HACC к работе на Frontier, требования проекта ExaSky заключались в том, что HACC должен работать на Frontier как минимум в 50 раз быстрее, чем на Titan, который был самым быстрым суперкомпьютером в мире в 2012 году, когда HACC изначально разрабатывался. Во время своего пробного запуска на Frontier HACC превзошел это требование, показав себя почти в 300 раз быстрее.
Бронсон Мессер, который является директором по науке в Oak Ridge Leadership Computing Facility, отдает должное HACC за добавление «физического реализма, включающего барионы и всю другую динамическую физику, что делает эту симуляцию настоящим шедевром Frontier».
Моделирования, которые будут доступны астрономическому сообществу, позволят исследователям исследовать свои космологические модели, задавая вопросы о природе темной материи, силе темной энергии или исследуя альтернативные модели гравитации, такие как модифицированная ньютоновская динамика ( MOND ). Затем моделирования можно будет сравнить с тем, что находят реальные астрономические исследования, чтобы определить, какая модель лучше всего соответствует наблюдениям.
Все это поднимает один интересный философский вопрос: если вычислительная мощность продолжит расти, наши симуляции Вселенной будут параллельно становиться все более подробными и точными, но где этому конец?
Некоторые ученые-мыслители предположили, что мы сами можем жить в симуляции , возможно, как продукт чьей-то попытки смоделировать реальность. И если мы создаем симуляции, находясь внутри симуляции, то, возможно, это действительно черепахи до самого низа.