美國啟用全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)協(xié)助拼裝迄今最大的宇宙三維地圖

宇宙是在不斷膨脹的！而暗能量（Dark energy）正是推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量，中科院理論物理研究所研究員黃慶國告訴 DeepTech：“暗能量在宇宙中十分稀薄，幾乎不會(huì)給地球帶來任何影響。正因此，人類很難通過在地球上建立的實(shí)驗(yàn)室中‘捕捉’到暗能量?！?/p>

而在 5 月 27 日啟用的 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，正是為了捕捉暗能量，它隸屬于美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）。Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)基于超算公司 Cray 的 “Shasta” 平臺(tái)，具有 GPU 加速節(jié)點(diǎn)和 CPU 節(jié)點(diǎn)，其預(yù)期性能是美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心當(dāng)前的旗艦級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)科里（Cori）的 3-4 倍。

啟用后，它將協(xié)助科學(xué)家拼裝迄今為止最大的宇宙三維地圖，該地圖將揭示暗能量這一宇宙加速膨脹背后的神秘物理學(xué)現(xiàn)象，而 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)還將處理有著 “宇宙攝像機(jī)” 之稱的暗能量光譜儀（DESI）的數(shù)據(jù)。

據(jù)悉，暗能量光譜儀由美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室管理，暗能量的主要發(fā)現(xiàn)者是美國伯克利實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家索爾?珀?duì)柲兀⊿aul Perlmutter）。

索爾此前的部分工作正是在美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的相關(guān)設(shè)備上進(jìn)行的，他也因此獲得 2011 年諾貝爾物理獎(jiǎng)，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的命名正是為了紀(jì)念他。在 5 月 27 日的啟動(dòng)儀式上，索爾也在線上致以祝賀。

暗能量之所以難以捕捉到，是因?yàn)槿祟惛緹o法感受到它的侵入。按照當(dāng)前主流模型來計(jì)算，假如暗物質(zhì)粒子是質(zhì)量為 100GeV（約 100 個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量）的超對(duì)稱粒子，那么我們周圍的暗物質(zhì)粒子密度大約是每立方米五千個(gè)，雖然暗物質(zhì)粒子每時(shí)每刻都在 “侵入” 人類五官，但我們卻毫無感知。在此之前，即便利用地球上最靈敏的探測(cè)設(shè)備，也很難捕捉到這個(gè) “靈活的妖怪”。

“21 世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”

在 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)正式啟動(dòng)的十天前，5 月 17 日，暗能量光譜儀已經(jīng)作為 “開路先鋒” 先行啟動(dòng)，啟動(dòng)后將開始為期 5 年的宇宙探索之旅。此前，暗能量光譜儀已進(jìn)行了為期四個(gè)月的試運(yùn)行，期間捕獲了 400 萬個(gè)星系的光譜，這超過了以往所有光譜調(diào)查的總和。

據(jù)了解，暗能量光譜儀位于美國亞利桑那州基特峰天文臺(tái)一臺(tái)直徑 4 米的望遠(yuǎn)鏡上，其核心是 5000 個(gè)獨(dú)立的鉛筆大小的機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人控制一個(gè)光纖眼，它們的工作就是聯(lián)合起來捕捉光波，暗能量光譜儀的每次曝光可讓機(jī)器人捕獲多達(dá) 5000 個(gè)星系。

通過捕獲和研究宇宙中數(shù)千萬個(gè)星系、以及其他遙遠(yuǎn)物體的光，暗能量光譜儀將創(chuàng)建出迄今最大、最精細(xì)的星系三維圖譜，并希望借此揭示暗能量的奧秘，加深人類對(duì)宇宙的理解。

該項(xiàng)目的共同發(fā)言人、法國替代能源和原子能委員會(huì)的宇宙學(xué)家納塔莉?帕蘭克 — 德拉布維爾（Natalie Palanque-Drabwell）表示，大約 10 年前他們開始設(shè)計(jì)該儀器，暗能量光譜儀旨在更好地了解暗能量。未來，暗能量光譜儀可讓研究人員精確地解決以下兩個(gè)問題：什么是暗能量？以及引力遵循廣義相對(duì)論定律的程度有多少？只有理解這兩個(gè)問題，人類才能具備理解宇宙的基礎(chǔ)。

1998 年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)暗能量存在的有力證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)這是一種推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量。宇宙微波背景輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)顯示，宇宙中的暗能量高達(dá) 68.3%，暗物質(zhì)則有 26.8%，普通物質(zhì)只有 4.9%。正因此，科學(xué)家將暗能量與暗物質(zhì)稱為 “21 世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”。

其中涉及到一種紅移現(xiàn)象，它指的是當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，星系之間的距離會(huì)變遠(yuǎn)，這些星系的光會(huì)變成更長、更紅的光波，因此稱之為紅移。其規(guī)律是星系越遠(yuǎn)，紅移就越大。

測(cè)量星系紅移之后，研究人員將制作一張宇宙 3D 地圖，通過研究相關(guān)星系在地圖上的詳細(xì)分布，科學(xué)家有望在暗能量的影響和性質(zhì)上產(chǎn)生新的見解。

美國能源部負(fù)責(zé)高能物理的副主任吉姆?西格里斯特（Jim Siegrist）表示，這是首個(gè)開始進(jìn)行科學(xué)調(diào)查的下一代暗能量的項(xiàng)目。除研究暗能量之外，暗能量光譜儀取得的數(shù)據(jù)集，還將用于天體物理學(xué)領(lǐng)域。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、伯克利實(shí)驗(yàn)室的邁克爾?列維（Michael Levy）解釋說，暗能量光譜儀的獨(dú)特之處在于，能測(cè)量比以往任何時(shí)候都多 10 倍的星系光譜，而且可以收集到 110 億年前天體發(fā)出的光。

對(duì)此，黃慶國告訴 DeepTech：“光譜巡天的最大的好處在于能為宇宙描繪出一幅前所未有的細(xì)致的三維天圖。通過這幅三維天圖，人們不僅能在宇宙尺度上了解暗能量產(chǎn)生的排斥力量是如何推動(dòng)宇宙加速膨脹的，還能窺視這種排斥力量對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)形成的影響過程。甚至，它還能在宇宙尺度上幫助檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確與否?！?/p>

此外，憑借 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的 GPU 速度，研究人員能及時(shí)捕捉每晚幾十次曝光，從而確定第二天晚上暗能量光譜儀應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)的位置。而在此前系統(tǒng)中，研究人員尚未使用 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，那時(shí)需要幾周乃至幾月才能完成全年數(shù)據(jù)的發(fā)布準(zhǔn)備工作，有了 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，能以此前 20 倍的速度處理上述幾十次的曝光資料，只需幾天就能完成同樣的任務(wù)。

其中，6000 個(gè)英偉達(dá) A100 GPU 給 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)提供了近 4 百億億次混合精度性能，這將幫助科學(xué)家拼合宇宙三維地圖，從而去探索綠色能源的原子內(nèi)的相互作用。

據(jù)英偉達(dá)表示，通過本次合作，在 AI 使用的 16 位和 32 位混合精度數(shù)學(xué)運(yùn)算方面，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)也成為目前全球最快的系統(tǒng)、以及最大的 A100 賦能系統(tǒng)，其搭載 6144 塊英偉達(dá) A100 Tensor Core GPU，可支持物理學(xué)、氣象科學(xué)等領(lǐng)域的 20 多種應(yīng)用。另據(jù)悉，今年晚些時(shí)候，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)將在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開展第二階段的項(xiàng)目。

Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的兩只 “老虎翅膀”：A100 和開源代碼 RAPIDS

據(jù)悉，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)很難在幾納秒內(nèi)使用 Quantum Espresso 這種開源計(jì)算機(jī)代碼套件，來處理在模擬多個(gè)原子時(shí)所需的數(shù)學(xué)運(yùn)算。然而，如果把 Quantum Espresso 的高精度模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，科學(xué)家們可以在更長時(shí)間內(nèi)研究更多原子。

美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的應(yīng)用性能專家布蘭登?庫克（Brandon Cook）表示：“以前我們不可能針對(duì)電池接口這樣的大型系統(tǒng)進(jìn)行完整的原子模擬，但現(xiàn)在科學(xué)家們計(jì)劃用 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)來進(jìn)行這一模擬?！?目前，布蘭登正在參與啟動(dòng)此類項(xiàng)目。

其中，英偉達(dá) A100 中的 Tensor Core 可在這些方面發(fā)揮相應(yīng)作用，A100 不僅能加速用于模擬的雙精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，還能加速深度學(xué)習(xí)所需的混合精度計(jì)算。

另外，英偉達(dá)開源代碼 RAPIDS 也將加快美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的 Python 程序員團(tuán)隊(duì)的工作速度。相比此前的 CPU，它使該中心的科里（Cori）超級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量分析速度加快了近 600 倍。

在暗能量研究方面，中國也在加速快跑，黃慶國告訴 DeepTech：“自從二十世紀(jì)末暗能量被發(fā)現(xiàn)以來，中國的物理學(xué)家和天文學(xué)家在暗能量的研究方面取得了很多重要成果。最具代表性的是提出了一系列具有國際影響力的暗能量模型比如全息暗能量模型、宇宙年輪暗能量模型以及精靈暗能量模型等。當(dāng)然，我們依然要清醒地認(rèn)識(shí)到，暗能量的本質(zhì)目前仍是未解之謎，需要全世界的科學(xué)家繼續(xù)努力去揭開謎團(tuán)。”

編輯：jq