摘要：在2024年11月初，美国能源部阿贡国家实验室的科研人员借助地球上运算速度最快的的超级计算机之一，成功开展了有史以来规模最为宏大的宇宙天体物理模拟实验。

在计算机模拟所构建的虚拟世界之中，宇宙的范围刚刚经历了一次规模上的大幅拓展。

在2024年11月初，美国能源部阿贡国家实验室的科研人员借助地球上运算速度最快的的超级计算机之一，成功开展了有史以来规模最为宏大的宇宙天体物理模拟实验。

这一了不起的成就是通过橡树岭国家实验室所拥有的“前沿”超级计算机得以达成的。这些相关的计算操作，为宇宙学流体动力学模拟树立起了全新的标杆，并且为同时对原子物质以及暗物质的物理过程展开模拟提供了崭新的基础依据。此次模拟的规模，能够与大型望远镜观测站所开展的各类调查研究形成对应关系，在以前，如此规模的模拟计算是从未被成功实现过的。

身为项目负责人以及阿贡计算科学部主任的SalmanHabib介绍到，宇宙主要包含两个组成部分：其一为暗物质，就我们目前所掌握的知识而言，它仅仅是通过引力相互作用来展现其存在；其二则是常规物质，也就是原子物质。”

所以，如果我们想要深入了解宇宙的运行机制，以及其正在发生的各种变化，那么我们就必须同时对这两类物质的相关情况进行模拟，科学家既要考虑到引力因素，又要涵盖其他所有的物理过程，这其中就包括热气体的状态、恒星的形成、黑洞的诞生，以及星系的演化等诸多方面，天文学家将这种综合性的模拟操作称作宇宙学流体动力学模拟的‘大杂烩’。”

显而易见的是，相较于那种仅仅涉及引力效应的膨胀宇宙模拟而言，宇宙学流体动力学模拟，不仅在计算资源的耗费方面要高昂得多，而且在实际操作过程中也更具难度。

打个比方来说，如果我们要对类似于智利鲁宾天文台这种大型望远镜的观测对象进行模拟，虽然他们进行观测的对象，仅仅是宇宙的某一小块区域，但是我们所涉及到的将会是极为漫长的时间跨度——涉及数十亿年的宇宙扩张历程，直到这次模拟实验之前，天文学家甚至都无法想象能够开展如此大规模的模拟实验。

在此次模拟过程中所运用的超级计算机代码名为HACC，也就是硬件/混合加速宇宙学代码。该代码大约是在15年前为适应Petascale级别的计算机而研发出来的。在2012年以及2013年期间，HACC还曾入围过计算机协会GordonBellPrize的决赛环节。

随后，作为ExascaleComputingProject（百亿亿次计算项目）项目的一个组成部分，HACC经历了一次重大的升级改造。ExaSky是美国能源部倡议的一项总投入高达18亿美元的项目，该项目汇聚了数千名专业领域的专家，旨在为即将问世的、能够实现每秒执行超过一千万亿次，也就是十亿亿次计算的Exascale级超级计算机研发出先进的科学应用程序以及各类软件工具。

HACC研究团队在过去的七年时间里，不断为该代码增添全新的功能，并对其进行重新优化，以便使其能够在由GPU加速器所驱动的Exascale级别的计算机上顺畅运行。ExascaleComputingProject的其中一项要求是，代码在超级计算机上运行的速度，要比该项目启动之时，世界上速度最快的超级计算机Titan快大约50倍。而当HACC在Exascale级别的“前沿”超级计算机上运行时，其运行速度相较于参考运行速度快了近300倍。

为了这项颇具创新性的模拟实验，研究团队使用了位于橡树岭国家实验室（ORNL）计算设施OLCF中的“前沿”超级计算机，这台超级计算机虽然没有使用英伟达显卡，但也是使用AMD公司生产的、性能同样出色的Instinct MI250X GPU。实验利用了“前沿”超级计算机其中大约9000个的计算节点，来实现了此次破纪录的性能表现。

OLCF科学主任BronsonMesser指出:“这不仅仅是在物理领域实现了规模上的突破，对于通过Exascale计算来达成与现代调查观测结果的直接比对而言，这也是极为必要的。而且还涵盖了包括重子以及其他所有动态物理在内的额外物理现实因素，这使得此次模拟实验成为了前沿科技领域当中的一件真正的杰作。”

来源：橘猫小妖