Χρησιμοποίησαν αυτό που ήταν μέχρι πρόσφατα ο πιο ισχυρός υπερυπολογιστής στον κόσμο για να προσομοιώσουν το Σύμπαν σε μια άνευ προηγουμένου κλίμακα. Το μέγεθος της προσομοίωσης αντιστοιχεί στις μεγαλύτερες έρευνες που πραγματοποιήθηκαν από ισχυρά τηλεσκόπια και παρατηρητήρια.

Ο υπερυπολογιστής Frontier βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί. Είναι ο δεύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο, πίσω μόνο από τον El Capitan , ο οποίος τέθηκε σε ισχύ τον Νοέμβριο του 2024. Το Frontier είναι ο πρώτος υπερυπολογιστής exascale στον κόσμο , αν και ο El Capitan έχει ενταχθεί στις τάξεις των υπερυπολογιστών exascale. Μπορεί να εκτελέσει έως και 1,1 exaFLOPS, που ισούται με 1,1 πεντάκις εκατομμύριο (10^18 ή 1.100.000.000.000.000.000) λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο.

Η νέα προσομοίωση Frontier σπάει ρεκόρ και είναι τώρα η μεγαλύτερη προσομοίωση του Σύμπαντος που έχει πραγματοποιηθεί ποτέ. Ο υπολογισμός του exascale του επιτρέπει να προσομοιώνει ένα επίπεδο λεπτομέρειας που ήταν απρόσιτο πριν από την εφαρμογή του. Το Exascale είναι τόσο προηγμένο που είναι δύσκολο να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητές του χωρίς νέα πρότυπα προγραμματισμού.

Το Frontier είναι ένα σημαντικό άλμα στις αστροφυσικές προσομοιώσεις. Καλύπτει έναν όγκο του Σύμπαντος που είναι 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Ενσωματώνει λεπτομερή μοντέλα φυσικής για τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια, τη δυναμική των αερίων, το σχηματισμό άστρων και την ανάπτυξη μαύρης τρύπας. Θα πρέπει να παρέχει νέες γνώσεις για ορισμένες από τις θεμελιώδεις διαδικασίες στο Σύμπαν, όπως το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες και πώς εξελίσσεται η δομή μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος.

“Υπάρχουν δύο συστατικά στο σύμπαν: η σκοτεινή ύλη – η οποία από όσο γνωρίζουμε, αλληλεπιδρά μόνο βαρυτικά – και η συμβατική ύλη, ή ατομική ύλη.” είπε ο επικεφαλής του έργου Salman Habib, διευθυντής τμήματος Υπολογιστικών Επιστημών στο Argonne.

«Επομένως, αν θέλουμε να μάθουμε τι κάνει το σύμπαν, πρέπει να προσομοιώσουμε και τα δύο: τη βαρύτητα καθώς και όλη την άλλη φυσική, συμπεριλαμβανομένου του καυτού αερίου, και το σχηματισμό άστρων, μαύρων τρυπών και γαλαξιών», είπε. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι αυτό που ονομάζουμε προσομοιώσεις κοσμολογικής υδροδυναμικής».

Οι προσομοιώσεις κοσμολογικής υδροδυναμικής συνδυάζουν την κοσμολογία με την υδροδυναμική και επιτρέπουν στους αστρονόμους να εξετάσουν τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ της βαρύτητας και πραγμάτων όπως η δυναμική των αερίων και οι αστρικές διεργασίες που έχουν διαμορφώσει και συνεχίζουν να διαμορφώνουν το Σύμπαν μας. Μπορούν να διεξαχθούν μόνο με υπερυπολογιστές λόγω του επιπέδου πολυπλοκότητας και του τεράστιου αριθμού αριθμητικών εξισώσεων και υπολογισμών που εμπλέκονται.

Η τεράστια ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την Frontier για να εκτελέσει αυτές τις προσομοιώσεις είναι εκπληκτική. Καταναλώνει περίπου 21 MW ηλεκτρικής ενέργειας, αρκετή για να τροφοδοτήσει περίπου 15.000 μονοκατοικίες στις ΗΠΑ. Αλλά η ανταμοιβή είναι εξίσου εντυπωσιακή.

«Μέχρι πρόσφατα, δεν μπορούσαμε καν να φανταστούμε να κάνουμε μια τόσο μεγάλη προσομοίωση όπως αυτή, εκτός από την προσέγγιση που βασίζεται μόνο στη βαρύτητα».

«Δεν είναι μόνο το τεράστιο μέγεθος του φυσικού τομέα, το οποίο είναι απαραίτητο για την άμεση σύγκριση με τις σύγχρονες παρατηρήσεις έρευνας που ενεργοποιούνται από τον υπολογισμό exascale», δήλωσε ο Bronson Messer, διευθυντής επιστήμης του Oak Ridge Leadership Computing Facility. “Είναι επίσης ο πρόσθετος φυσικός ρεαλισμός της συμπερίληψης των βαρυονίων που κάνει αυτή την προσομοίωση μια πραγματική περιοδεία για το Frontier.”

Το Frontier προσομοιώνει περισσότερα από το Σύμπαν. Τον Ιούνιο, οι ερευνητές που εργάστηκαν με αυτό πέτυχαν ένα ακόμη ορόσημο. Προσομοίωσαν ένα σύστημα 466 δισεκατομμυρίων ατόμων σε μια προσομοίωση νερού. Αυτό ήταν το μεγαλύτερο σύστημα που μοντελοποιήθηκε ποτέ και πάνω από 400 φορές μεγαλύτερο από τον πλησιέστερο ανταγωνισμό του. Δεδομένου ότι το νερό είναι πρωταρχικό συστατικό των κυττάρων, το Frontier ανοίγει το δρόμο για μια ενδεχόμενη προσομοίωση ενός ζωντανού κυττάρου.

Η Frontier υπόσχεται να κάνει προόδους και σε πολλούς άλλους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων πυρηνικής σχάσης και σύντηξης και μεγάλης κλίμακας συστημάτων μεταφοράς ενέργειας. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας προσομοίωσης κβαντικής μοριακής δυναμικής που είναι 1.000 φορές μεγαλύτερη σε μέγεθος και ταχύτητα από οποιονδήποτε από τους προκατόχους της. Έχει επίσης εφαρμογές στη μοντελοποίηση ασθενειών, στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων, καλύτερων μπαταριών και καλύτερων υλικών συμπεριλαμβανομένου του σκυροδέματος.

Η τεράστια προσομοίωση του Frontier είναι μόνο ένα παράδειγμα του πώς οι υπερυπολογιστές και η τεχνητή νοημοσύνη αναλαμβάνουν μεγαλύτερο ρόλο στην αστρονομία και την αστροφυσική. Η σύγχρονη αστρονομία παράγει τεράστιες ποσότητες δεδομένων και απαιτεί ισχυρά εργαλεία για τη διαχείριση. Οι θεωρίες μας για την κοσμολογία βασίζονται σε όλο και μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων που απαιτούν τεράστια υπολογιστική ισχύ για την προσομοίωση, υποστηρίζουν οι επιστήμονες.

Το Frontier έχει ήδη αντικατασταθεί από τον El Capitan, έναν άλλο υπερυπολογιστή exascale στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL). Ωστόσο, το El Capitan επικεντρώνεται στη διαχείριση του πυρηνικού αποθέματος της χώρας σύμφωνα με το LLNL .

Όλα αυτά εγείρουν ένα συναρπαστικό φιλοσοφικό ερώτημα για τους επιστήμονες: Εάν η υπολογιστική ισχύς συνεχίσει να αυξάνεται, οι προσομοιώσεις μας για το σύμπαν θα γίνουν πιο λεπτομερείς και ακριβείς παράλληλα, αλλά πού τελειώνει;

Έχει προταθεί από ορισμένους επιστημονικούς στοχαστές ότι εμείς οι ίδιοι μπορεί να ζούμε σε μια προσομοίωση, ένα Μάτριξ, ίσως ως προϊόν της προσπάθειας κάποιου άλλου να μοντελοποιήσει την πραγματικότητα και αν δημιουργούμε προσομοιώσεις ενώ βρισκόμαστε μέσα σε μια προσομοίωση, τότε ίσως στην πραγματικότητα βρισκόμαστε σε μια κατάσταση που αποκαλείται «άπειρη παλινδρόμηση» μια έννοια ότι κάθε εξήγηση απαιτεί άλλη εξήγηση, επισημαίνουν.

photo: pixabay