摘要：这台世界上第二快的超级计算机——在本月早些时候其竞争对手的机器上线之前，它曾经是最快的——创造了迄今为止最复杂的宇宙计算机模拟。该模拟的目标是测试研究人员所说的“宇宙学流体动力学”。

天文学家将使用模拟来测试宇宙学的标准模型。

这台世界上第二快的超级计算机——在本月早些时候其竞争对手的机器上线之前，它曾经是最快的——创造了迄今为止最复杂的宇宙计算机模拟。该模拟的目标是测试研究人员所说的“宇宙学流体动力学”。

这台超级计算机被称为 Frontier，位于橡树岭国家实验室 （Oak Ridge National Laboratory），是设备的野兽。作为第一台百亿亿次级超级计算机，它可以执行高达 1.1 exaFLOPS，相当于每秒 1.1 quintillion（10^18，或 1,100,000,000,000,000,000,000）浮点运算。它由 9,472 个 AMD中央处理器 （CPU） 和 37,888 个 AMD 图形处理单元 （GPU） 组成。（这是 CPU 和 GPU 的惊人数量）。根据 AMD 网站的数据，Frontier 是世界上最快的超级计算机，直到 2024 年 11 月另一台位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的名为 El Capitan 的超级计算机以 1.742 exaFLOPS 超越它。

位于伊利诺伊州的美国能源部阿贡国家实验室的一个团队在阿贡计算科学部门主任 Salman Habib 的领导下，在 Frontier 上使用了其硬件/混合加速宇宙学代码 （HACC）。HACC 在大约 15 年前首次开发，它模拟了宇宙的演化，其代码的编写使其可以适应任何给定时间最快的超级计算机。

HACC 最初部署在 PB 级超级计算机（能够处理千万亿次 FLOPS）上，这些计算机的功能不如 Frontier 和 El Capitan。例如，Argonne 团队的一个项目是使用 HACC 在 Summit 超级计算机上模拟三种不同的宇宙学，这是一台 PB 级计算机，在 2018 年 11 月至 2020 年 6 月期间是世界上最快的计算机。这三个模拟以《星际迷航》宇宙中的行星命名：Qo'nos 模拟（以克林贡母星命名）使用宇宙学的标准模型（涉及暗能量和冷暗物质的计算）对宇宙进行建模;Vulcan 模拟包括大质量中微子，而 Ferenginar 模拟（以 Ferengi 母星命名）探索了一个暗能量不是恒定的，而是随着时间的推移而变化的宇宙。峰会模拟的结果表明，当暗能量发生变化时，会导致早期宇宙中更强的星系聚集——天文学家可以在高红移星系巡天中寻找这一点，即观察极遥宇宙中各部分的星系巡天。

在许多方面，生成的模拟与大型深天文巡天（如斯隆数字巡天）或即将由 Vera C. Rubin 天文台进行的巡天一样庞大和详细。

然而，Summit 模拟是“仅重力”模拟，也就是说，它们不够强大，无法包含其他力或效果。

哈比卜在一份声明中说：“如果我们要模拟由智利鲁宾天文台（Rubin Observatory）等大型望远镜之一探测到的宇宙的很大一部分，你说的就是在观察巨大的时间块——数十亿年的膨胀。“直到最近，我们甚至无法想象做这样一个大型的仿真，除了仅重力近似。”

需要更强大的模拟，以包括除重力之外的其他力和效应，这就是 Frontier 的用武之地，该项目得到了能源部一个名为 ExaSky 的 18 亿美元项目的支持，旨在为百万兆次级计算提供资金。

在宇宙学的标准模型中，有两个组成部分占主导地位：暗物质和暗能量。构成你和我的物质——所谓的重子物质——只占宇宙物质和能量的不到 5%。

“所以，如果我们想知道宇宙在做什么，我们需要模拟这两件事 [暗物质和暗能量] ......引力以及包括热气体在内的所有其他物理学，以及恒星、黑洞和星系的形成，“哈比卜说。他称之为“可以说是天体物理学的厨房水槽。这些。。。就是我们所说的宇宙学流体动力学模拟。

为了让 HACC 准备好在 Frontier 上运行，ExaSky 项目的要求是 HACC 在 Frontier 上的运行速度必须至少比在 Titan 上快 50 倍，Titan 在 2012 年最初开发 HACC 时是世界上最快的超级计算机。在 Frontier 的试运行期间，HACC 将这一要求从水中吹出，事实证明速度快了近 300 倍。

橡树岭领导计算设施 （Oak Ridge Leadership Computing Facility） 的科学主任布朗森·梅塞尔 （Bronson Messer） 称赞 HACC 增加了“包括重子和所有其他动态物理学的物理真实感，使该模拟成为 Frontier 的真正杰作”。

这些模拟将向天文学界开放，使研究人员能够探索他们的宇宙学模型，询问有关暗物质的性质、暗能量强度的问题，或寻求替代的引力模型，例如修正牛顿动力学 （MOND）。然后可以将模拟结果与实际天文调查的结果进行比较，以确定哪种模型最适合观测结果。

这一切都提出了一个引人入胜的哲学问题：如果计算能力继续提高，我们对宇宙的模拟将同时变得更加详细和准确，但它在哪里结束呢？

一些科学思想家建议，我们自己可能生活在模拟中，也许是别人试图模拟现实的产物。如果我们在模拟内部创建模拟，那么也许它真的是。

这台世界上第二快的超级计算机——在本月早些时候其竞争对手的机器上线之前，它曾经是最快的——创造了迄今为止最复杂的宇宙计算机模拟。该模拟的目标是测试研究人员所说的“宇宙学流体动力学”。

位于伊利诺伊州的美国能源部阿贡国家实验室的一个团队在阿贡计算科学部门主任 Salman Habib 的领导下，在 Frontier 上使用了其硬件/混合加速宇宙学代码 （HACC）。HACC 在大约 15 年前首次开发，它模拟了宇宙的演化，其代码的编写使其可以适应任何给定时间最快的超级计算机。

来源：老赵讲科学