شبیه‌سازی بی‌سابقه اگزاسکیل در ابرکامپیوتر Frontier
هنگامی که دانشمندان به مرزهای ابرکامپیوترهای قدرتمند جهان فشار می‌آورند، اغلب درمی‌یابند که این مرزها تنها آغاز چیزی است که ممکن است. در اوایل ماه نوامبر، تیم آزمایشگاه ملی آرگون وابسته به وزارت انرژی آمریکا درست به همین کار پرداخت و با استفاده از دومین ابرکامپیوتر سریع جهان، بزرگ‌ترین شبیه‌سازی فیزیکی کیهان را اجرا کرد که تا به حال انجام شده است.
نتایج؟ آنها جهانی را نشان می‌دهند که حتی بیشتر و با پیچیدگی بیشتری در شبیه‌سازی‌ها گسترش یافته است تا به ما دیدگاه‌های جدیدی از کیهان ارائه دهد. بیایید به این بپردازیم که چگونه این شبیه‌سازی‌های بی‌سابقه دیدگاه ما را از کیهان تغییر می‌دهند.
دستاورد محاسباتی Frontier
این دستاورد قابل توجه با استفاده از ابرکامپیوتر Frontier در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) به دست آمد. محاسبات گسترده، استاندارد جدیدی برای شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک کیهانی تعیین کرده‌اند و مبنای بی‌سابقه‌ای برای شبیه‌سازی همزمان فیزیک ماده‌های اتمی و ماده تاریک فراهم می‌کنند. این سطح از شبیه‌سازی در مقیاس برابر با نظرسنجی‌های انجام شده توسط رصدخانه‌های بزرگ تلسکوپی است، کاری که پیشتر در این ابعاد ممکن نبود.
سلمان حبیب، رهبر پروژه و مدیر بخش علوم محاسباتی در آرگون، به توضیح دو جنبه شبیه‌سازی پرداخت و گفت: «در کیهان دو عنصر وجود دارد: ماده تاریک — که تا آنجا که می‌دانیم، تنها از طریق جاذبه تعامل دارد — و ماده معمولی یا ماده اتمی.» او بر نیاز به این رویکرد جامع توضیح داد: «بنابراین اگر بخواهیم بفهمیم که جهان به چه سمتی می‌رود، باید هر دو این عناصر را شبیه‌سازی کنیم: جاذبه و همه فیزیک‌های دیگر از جمله گاز داغ، تشکیل ستاره‌ها، سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها. ما اساساً همه چیز را بجز سینک آشپزخانه در این شبیه‌سازی‌ها قرار می‌دهیم که آنها را شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک کیهانی می‌نامیم.»
پیچیدگی‌های شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک کیهانی
شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک کیهانی یک چالش محاسباتی قابل توجه هستند که نیاز به منابع محاسباتی وسیع و یکپارچه‌سازی فیزیک پیچیده دارند، فراتر از شبیه‌سازی‌هایی که تنها به تاثیرات جاذبه درون یک جهان انبساطی می‌پردازند. این شبیه‌سازی‌ها نیاز به منابع گسترده محاسباتی و یکپارچه‌سازی فیزیک پیچیده دارند که ماده تاریک و ماده اتمی را بر روی دوره‌های گسترده شبیه‌سازی می‌کنند.
سلمان حبیب، رهبر پروژه، مقیاس و پیچیدگی دخیل را توضیح می‌دهد: «برای مثال، اگر بخواهیم یک بخش بزرگ از جهان را که توسط یکی از تلسکوپ‌های بزرگ مانند رصدخانه روبین در شیلی نقشه‌برداری شده، شبیه‌سازی کنیم، شما دارید درباره مشاهده میلیاردها سال انبساط صحبت می‌کنید. تا به‌تازگی، نمی‌توانستیم چنین شبیه‌سازی گسترده‌ای را فراتر از مدل‌های تنها جاذبه‌ای انجام دهیم.»
نقش HACC در شبیه‌سازی‌های اگزاسکیل
کدی که این شبیه‌سازی‌ها را تقویت کرد HACC نام دارد که مخفف Code هوشمند شتاب‌دهنده‌های هیبریدی در کیهان‌شناسی است. این کد ابتدا ۱۵ سال پیش برای ماشین‌های پتااسکیل توسعه یافت و در سال ۲۰۱۲ و ۲۰۱۳ فینالیست جایزه گوردون بل برای محاسبات شد. بعداً با پروژه ExaSky به رهبری حبیب و تحت پروژه محاسبات اگزاسکیل که بودجه‌ای ۱.۸ میلیارد دلاری از ۲۰۱۶ تا ۲۰۲۴ برای توسعه علمی و نرم‌افزارها در نظر گرفته شده بود، به‌طور قابل توجهی به روز شد. این پروژه هزاران کارشناس را برای پیشبرد برنامه‌های علمی و ابزارهای نرم‌افزاری در آماده‌سازی برای موج جدید ابرکامپیوترهای اگزاسکیل متحد کرد.
در طول هفت سال گذشته، تیم تحقیقاتی HACC کد را با قابلیت‌های جدید بهینه کرده و آن را برای ماشین‌های اگزاسکیل با شتاب‌دهنده‌های GPU بهینه کرده است. یکی از الزامات ECP این بود که کد‌ها باید حدود ۵۰ برابر سریع‌تر از آنچه می‌توانستند بر روی سوپرکامپیوتر Titan اجرا شوند، اجرا شوند. شگفت‌انگیز اینکه، عملکرد HACC بر روی ابرکامپیوتر Frontier نزدیک به ۳۰۰ برابر سریع‌تر از اجرای مرجع بود.
برانسون مسر، مدیر علمی OLCF به اهمیت این پیشرفت‌ها اشاره کرد: «این تنها اندازه بزرگ حوزه فیزیکی نیست که برای مقایسه مستقیم با مشاهدات نظرسنجی‌های مدرن با محاسبات اگزاسکیل ضروری است. بلکه افزودن به واقع‌گرایی فیزیکی شامل باریون‌ها و تمام فیزیک‌های پویا دیگر است که این شبیه‌سازی را به یک شاهکار واقعی برای Frontier تبدیل می‌کند.»
توسعه و مراحل تست HACC همچنین شامل اسکن پارامترها بر روی ابر کامپیوتر پرلمیتر در مرکز ملی محاسبات علمی انرژی تحقیقات (NERSC) در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و اجرای گسترده بر روی ابرکامپیوتر اگزاسکیل-کلاس Aurora در تسهیلات محاسبات رهبری آرگون (ALCF) بود.
جهان محاسباتی گسترش‌یافته Frontier
Frontier، سریع‌ترین ابرکامپیوتر کنونی، افزون بر سرعت محاسبات صرف، دارای میراثی است. طی سال گذشته، Frontier در پیشگامی تحقیقات در حوزه‌های علمی مختلف اساسی بوده است.
با اینکه به تازگی توسط ابرکامپیوتر ال کاپیتان ، متعلق به آزمایشگاه‌های ملی لاورنس لیورمور، که با ۱.۷۴ اگزافلاپس شگفت‌آور پیشتاز است— حدود ۳۰ درصد سریع‌تر— سبقت گرفته شده، Frontier همچنان به تنظیم معیارها در محاسبات با کارایی بالا (HPC) ادامه می‌دهد.
پروژه هایی مانند شبیه‌سازی مولکول‌های آب در دمای اتاق در سطح اتمی، بررسی‌های مربوط به متاستبیلیتی الماس‌ها تحت فشارهای شدید، و بینش‌های بی‌سابقه به تحریک مغناطیسی هسته‌ای کلسیم-۴۸ نشان‌دهنده قابلیت‌های فوق‌العاده این ابرکامپیوتر در پیشبرد جستجوی علمی و تعمیق فهم ما از پدیده‌های پیچیده است.
