Superkomputer FRONTIER z pomocą AMD stworzy najdokładniejszą symulację. Zgadniecie czego?

Jednym z tych pomysłów jest projekt aplikacji naukowej CHOLLA. Nazwa tajemnicza, więc ją rozszyfrujmy. To skrót od Computational Hydrodynamics On Parallel Architecture, co w tłumaczeniu oznacza Hydrodynamika obliczeniowa z pomocą systemów o równoległej architekturze.

Symulacje hydrodynamiczne - rozszyfrowujemy ich znaczenie

No tak wskazówka tylko utrudniła sprawę, bo cóż to jest ta hydrodynamika. Nazwa być może już coś sugeruje, ale rozszerzmy jej zrozumienie. Hydrodynamika to dział mechaniki płynów czyli dziedziny nauki opisującej ruch płynów. Koncentruje się na opisie mechanizmów i sił wywołujących ten ruch. W przeciwieństwie do potocznego rozumienia słowa płyn, w tym przypadku mamy na myśli zarówno ciecze jak i gazy. Z tymi ostatnimi bardzo często spotykamy się podczas opisu naszego Wszechświata, gwiazd i galaktyk.

Ewolucja galaktyk to nie tylko ich powstawanie, ale także spektakularne akty ich "destrukcji" w wyniku połączenia z innymi

Jedno z 8 zadań superkomputera Frontier to modelowanie Drogi Mlecznej

No i chyba już wiecie teraz, co będzie symulował superkomputer Frontier. Jednym z założeń projektu jest symulowanie zmian w galaktyce podobnej do Drogi Mlecznej w rozdzielczości wystarczająco wysokiej, aby dało się uwzględnić powstawanie, ewolucję i śmierć pojedynczych gwiazd.

Oznacza to, że naukowcy otrzymają do dyspozycji narzędzie, przy którego stosowaniu nie muszą ograniczać się do przybliżeń jakie wymusza ograniczona zdolność obliczeniowa. Przez przybliżenie rozumiemy tu liczbę danych jaką można opisać dany obiekt i z jaką rozdzielczością, czyli dokładnością w podziale na elementy składowe. Wiadomo, że historii każdego atomu wodoru nie da się śledzić nawet z pomocą Frontiera, a nawet jego odległych następców, ale z każdym coraz wydajniejszym superkomputerem jesteśmy tego bliżsi.

Evan Schneider, profesor asystujący Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie Pittsburgha podsumowuje to stwierdzeniem - „Dostęp do tej eksaskalarnej maszyny to jak zupełna zmiana zasad gry dla problemów, które można symulować.”

Jak Frontier ma się do dzisiejszych superkomputerów

O tym czym będzie Frontier pisaliśmy już w 2019 roku. Wydajność superkomputera wynieść ma ponad 1,3 exaflopa. To około 3 razy więcej niż najpotężniejszy obecnie w zestawieniu TOP500 superkomputer Fugaku. W przypadku tego komputera, podstawową architekturą jest A64FX czyli wariant 64-bitowego ARM opracowane przez Fujitsu.

Frontier może jeszcze nie trafić do czerwcowego zestawienia TOP500, ale w listopadzie powinien być już w nim obecny. Warto przy okazji oszacować sobie, jak wydajny będzie Frontier w stosunku do wszystkich komputerów na liście TOP500. Jej zawartość się zmienia, ale gdyby dziś dodac Frontiera do tego zestawienia, to byłby on około 1000 razy szybszy niż najsłabszy superkomputer sklasyfikowany na 500 pozycji. Z kolei łączna moc obliczeniowa wszystkich komputerów dzisiejszego TOP500 (z wyłączeniem Frontiera oczywiście) to około 2,4 exaflopa. To pokazuje jak potężną maszynę dostaną do dyspozycji naukowcy z ośrodka Oak Ridge National Laboratory. Dotychczasowe ich superkomputery, Tytan z 2012 roku z i Summit z 2018 roku łączyły architekturę różnych producentów. W Tytanie były to Opterony AMD i GPU Kepler NVIDII, a w Summicie IBM Power9 oraz GPU NVIDIA Volta. Teraz zarówno CPU (AMD EPYC) jak i GPU (AMD INSTINCT) pochodzą od tego samego producenta.

AMD podkreśla przy okazji, łatwość przeniesienia oprogramowania CHOLLA, które było dostępne już wcześniej jako narzędzie do analizy zmian gazów z uwzględnieniem grawitacji czy też ciemnej materii. Cała procedura zajęła podobno jedynie kilka godzin. Portowanie polegało na przeniesieniu kodu ze zgodnego z NVIDIA CUDA na umożliwiający jego uruchomienie na platformie AMD ROCm przeznaczonej dla wysokowydajnych komputerów. Nie trzeba było nawet optymalizacji, by kod działał tak samo wydajnie, a nawet szybciej.

Symulacje Drogi Mlecznej na przestrzeni 500 milionów lat

Zastanawiacie się pewnie, po co nam takie symulacje galaktyk, a w domyśle całego Wszechświata, bo ten składa się między innymi z galaktyk? Dla przykładu, jedna z symulacji uruchomionej na Frontierze będzie dotyczyła Drogi Mlecznej, którą podzielono na 10 tysięcy sześciennych komórek, który wzajemne oddziaływanie przeliczane będzie na przestrzeni 500 milionów lat. Dla porównania, materia w Galaktyce w takiej odległości jak Układ Słoneczny wykonuje jeden pełen obieg wokół jej centrum na przestrzeni około 250 milionów lat. Pięćset milionów lat to dwa razy więcej.

Gdybyśmy cofnęli się w czasie o troszeczkę więcej niż 500 milionów lat, trafilibyśmy na czasy Eksplozji Kambryjskiej gdy nastąpił gwałtowny przyrost różnorodności organizmów, a zwierzęta zaczęły zasiedlać lądy. To tylko taki wtręt, bo Frontier nie będzie symulował życia na Ziemi, choć gdyby odnieść się do obiektów astronomicznych takich jak gwiazdy, materia międzygwiezdna, można o swojego rodzaju życiu mówić.

Wizualizacja Drogi Mlecznej na podstawie obecnych danych obserwacyjnych

W ciągu 500 milionów lat w Drodze Mlecznej może wydarzyć się bardzo dużo, nawet gdyby pod uwagę brać samą grawitację, która jest bardzo potężną siłą, ale też bardzo cierpliwie i powoli wpływającą na materię. Z tego między innymi powodu, astrofizykom zależy by ich numeryczne symulacje obejmowały jak najszerszy przedział czasowy.

Droga Mleczna to tylko jeden z przykładów. Oprogramowanie CHOLLA uruchomione na Frontierze będzie zajmowało się analizą ewolucji galaktyk, także ich powstawaniem. Wyniki symulacji pomogą zrozumieć dokładniej naturę całego procesu kreacji jak i ewolucji, z uwzględnieniem ciemnej materii. Symulacje oprócz efektów grawitacji, także na poziomie pojedynczych obiektów, w przyszłości mają uwzględniać także bardzo istotne w hydrodynamice pole magnetyczne.

Symulacje prowadzone przez Frontier wyczekiwane przez astronomów

Rozdzielczość symulacji prowadzonych na superkomputerze Frontier, które obejmują całe galaktyki, ma pozwolić analizować efekty powstawania takich struktur jak gwiazdy. Wydać się to może wciąż kiepską rozdzielczością, skoro mówimy o symulacji w skali galaktyk czy wszechświata, ale dla astrofizyków będzie to pierwsza taka okazja od ponad 40 lat, odkąd komputerowe obliczenia wspomagają teoretyczną astronomię.

Uwzględnienie ciemnej materii w symulacjach może przyczynić się do stworzenia lepszych jej modeli, co jest potrzebne zważywszy na obserwacje prowadzone przez największe teleskopy na świecie. Okazuje się bowiem, że efekty soczewkowania grawitacyjnego są silniejsze niż przewidywane obecnie przez teoretyków. Ciemna materia stanowi wedle obecnych szacunków około 27% składu Wszechświata. To znacznie więcej niż 5% jakie tworzy materia zwykła, czyli taka jaka tworzy znane nam obserwowalne obiekty. Reszta czyli około 68% to ciemna energia, ale to temat na jeszcze odleglejszą przyszłość.

Poza tym, ilość danych obserwacyjnych dostarczana przez wielkoskalowe przeglądy nieba takie jak GALFA-HI (mapy neutralnego wodoru tworzone z pomocą już nie istniejącego radioteleskopu w Arecibo) czy GAIA (pomiary dokładnych pozycji gwiazd w Galaktyce wykonywane za pomocą europejskiej sondy kosmicznej), jest już tak duża, że jak to podkreśla Evan Schneider „odtworzenie wszystkich obserwacji za pomocą symulacji” przy pomocy dotychczasowych komputerów jest coraz trudniejsze.

Inne problemy jakich zrozumieniu stawi czoło superkomputer Frontier

Symulacje astronomiczne, które będą prowadzone na superkomputerze FRONTIER, pozwolą nam doprecyzować historię powstawania galaktyk takich jak nasza, a lepsze zrozumienie funkcjonowania materii w wielkiej skali może przełożyć się na jej opis w równie skomplikowanych modelach, ale dotyczących zjawisk w bliższej nam małej skali.

Dlatego superkomputer FRONTIER zajmie się też innymi problemami, istotnymi dla ludzkości, w tym:

• zmiennością złożonych systemów biologicznych w szerokim zakresie czasowym, pozwoli to lepiej poznać rozwój genetycznie uwarunkowanych chorób takich jak autyzm, alzheimer,
• analizą przepływów turbulentnych, czego zrozumienie pomocne jest w takich dziedzinach jak inżynieria (dystrybucja zanieczyszczeń, spalanie i dynamika oceanów) oraz astrofizyka,
• symulacją zjawisk zachodzących w materii skalnej, w szczególności zjawiska określanego jako zwilżalność czyli ich oddziaływaniu z cieczami,
• badaniem niestandardowych struktur krystalicznych,
• symulowaniem systemów biomolekularnych, pomocnym w walce z wirusami i tworzeniu nowych szczepionek,
• obliczeniami dla skomplikowanych układów cząstek w nanoskali, z którymi mamy do czynienia w przypadku badań związanych z fuzją jądrową,
• symulacjami, które pozwolą w przyszłości tworzyć skuteczniejsze narzędzia do terapii medycznych (w tym raka) z wykorzystaniem wiązek cząstek o wysokiej energii.

Źródło: AMD, ORNL, inf. własna

Czytaj więcej na temat superkomputerów i technologii AMD:

• Dzisiaj nic ciekawszego nie zobaczysz - zapraszamy na wirtualną wycieczkę po... superkomputerze
• Mają rozmach. Zhakowali superkomputery w Europie, by kopać kryptowalutę
• Dokładniejsza prognoza pogody dzięki procesorom AMD Epyc