Определение будущего Вселенной представляет собой сложную задачу, поскольку эти изменения происходят в масштабах времени, намного превышающих продолжительность человеческой жизни. В связи с этим, моделирование является наиболее эффективным способом изучения этих процессов. В исследовании, опубликованном в начале ноября, описывается, как группа ученых создала крупнейшее на сегодняшний день астрофизическое моделирование, используя выдающиеся вычислительные возможности суперкомпьютера Frontier.
В 2022 году в Национальной лаборатории Оук-Ридж (США) был запущен суперкомпьютер Frontier, что стало важным шагом вперед в развитии высокопроизводительных вычислений. Используя процессоры AMD EPYC и графические ускорители AMD Instinct, он обеспечивает возможность выполнения сложных расчетов в невиданных ранее масштабах. Благодаря выдающейся производительности, Frontier входит в число самых быстрых компьютерных систем в мире и используется в различных областях, включая физику, климатологию и биологию. До недавнего времени Frontier удерживал звание самого мощного суперкомпьютера на планете, но теперь его превзошел El Capitan, запуск которого запланирован на 2024 год.
Frontier часто запрашивают для выполнения самых сложных симуляций. В рамках проекта ExaSky, руководимого учеными из Аргоннской национальной лаборатории, суперкомпьютер был использован для проведения, как утверждают исследователи, «самого масштабного астрофизического моделирования в истории». Этот прорыв может привести к более глубокому пониманию структуры и эволюции Вселенной, а также предоставить ученым возможность проверить, подтвердить или опровергнуть различные космологические теоретические модели. Для наглядности масштаба этой симуляции исследователи подчеркивают, что она охватывает области Вселенной, сопоставимые с теми, что изучаются с помощью крупнейших телескопов.
Совместное моделирование обычной и темной материи
Исследователи утверждают, что расчеты, выполненные с использованием Frontier, позволяют одновременно моделировать обычную и темную материю. По их словам, для корректного понимания эволюции Вселенной необходимо учитывать оба компонента в моделировании.
«Для постижения Вселенной необходимо моделировать оба ее аспекта », — заявил Салман Хабиб, руководитель проекта и директор Отдела вычислительных наук Аргоннской национальной лаборатории, в пресс-релизе Ок-Риджской национальной лаборатории. Согласно определению, темная материя – это гипотетическая субстанция, которая невидима, поскольку не испускает и не отражает свет, и ее существование выводится исключительно по гравитационному воздействию. В отличие от нее, обычная материя включает в себя все, что можно наблюдать и что состоит из атомов: звезды, планеты, межзвездный газ и прочие объекты.
Ранее при моделировании масштабных областей Вселенной исследователи были вынуждены использовать упрощенные расчеты, учитывавшие только гравитацию. Хабиб отмечает, что теперь эти расчеты позволяют включить и другие физические силы, что дает возможность получить результаты, отражающие миллиарды лет расширения.
Объем 311 296 кубических мегапарсек
Этот успех стал результатом многолетней работы. Код моделирования HACC (Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code) был создан 15 лет назад и с тех пор постоянно улучшался. Благодаря этим усилиям, HACC может быть запущен на высокопроизводительных суперкомпьютерах, которые способны выполнять свыше миллиарда миллиардов операций в секунду, в особенности на тех, которые используют графические ускорители (GPU) для повышения своей вычислительной мощности. На Frontier HACC демонстрирует скорость, почти в 300 раз превышающую показатели предыдущих эталонных решений на других суперкомпьютерах.