Τον περασμένο μήνα, μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε τον ταχύτερο υπερυπολογιστή στον κόσμο, γνωστό ως Frontier, για να εξερευνήσει ένα από τα πιο θεμελιώδη διλήμματα της σύγχρονης κοσμολογίας: τη φύση της ατομικής και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Αυτή η πρωτοποριακή προσέγγιση στην αστροφυσική δεν αφορά μόνο την κατανόηση της σύνθεσης του σύμπαντος, αλλά και την ανακάλυψη νέων μεθόδων προσομοίωσης που μπορούν να επιτρέψουν στους επιστήμονες να εμβαθύνουν σε ζητήματα που μέχρι σήμερα παρέμεναν άλυτα.

Το μέγεθος της προσομοίωσης του υπερυπολογιστή αντιστοιχεί σε έρευνες που πραγματοποιούνται από μεγάλα παρατηρητήρια τηλεσκοπίων, κάτι που μέχρι σήμερα δεν ήταν εφικτό. Οι υπολογισμοί που διέπουν τις προσομοιώσεις παρέχουν μια νέα βάση για κοσμολογικές προσομοιώσεις του περιεχομένου της ύλης του σύμπαντος, από όλα όσα βλέπουμε μέχρι την αόρατη ύλη που αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη μόνο βαρυτικά.

Ο υπερυπολογιστής Frontier, ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο Oak Ridge National Laboratory, έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί υπολογισμούς σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες και με απαράμιλλη υπολογιστική ισχύ. Με την ικανότητα να επεξεργάζεται δισεκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο, ο Frontier έχει τη δυνατότητα να προσομοιώνει πολύπλοκες φυσικές διαδικασίες που συμβαίνουν στο σύμπαν. Αυτή η ικανότητα καθιστά τον υπερυπολογιστή ιδανικό εργαλείο για την εκτέλεση αστροφυσικών προσομοιώσεων σε κλίμακες που προηγουμένως ήταν αδύνατες.

Η πρόσφατη προσομοίωση που εκτελέστηκε από την ομάδα ερευνητών είναι η μεγαλύτερη που έχει γίνει ποτέ στον τομέα της αστροφυσικής. Το μέγεθος και η πολυπλοκότητα αυτής της προσομοίωσης είναι συγκρίσιμα με τις έρευνες που διεξάγονται από μεγάλα παρατηρητήρια τηλεσκοπίων, όπως το Ευρωπαϊκό Νότιο Αστεροσκοπείο (ESO) και το Κέντρο Αστρονομίας του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν. Μέχρι σήμερα, οι προσομοιώσεις αυτού του επιπέδου απαιτούσαν τεράστιους πόρους και χρόνο, γεγονός που καθιστούσε δύσκολη τη διεξαγωγή τους σε ρεαλιστικές χρονικές κλίμακες.

Τι ακριβώς υπολόγισε ο υπερυπολογιστής Frontier;

Ο Frontier είναι ένας υπερυπολογιστής κλάσης exascale, ικανός να εκτελεί ένα πεντάκις εκατομμύριο (ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια) υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, μια πολύ «ζουμερή» μηχανή αντάξια του τεράστιου εγχειρήματος που προσομοιώνει τη φυσική και την εξέλιξη τόσο του γνωστού όσο και του άγνωστου σύμπαντος.

«Αν θέλουμε να μάθουμε τι συμβαίνει στο σύμπαν, πρέπει να προσομοιώσουμε και τα δύο αυτά πράγματα: τη βαρύτητα καθώς και όλη την υπόλοιπη φυσική, συμπεριλαμβανομένου του θερμού αερίου, και τον σχηματισμό των άστρων, των μαύρων τρυπών και των γαλαξιών», δήλωσε ο Salman Habib, διευθυντής του τμήματος υπολογιστικών επιστημών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, σε ανακοίνωση του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge. «Κάτι σαν τον αστροφυσικό «νεροχύτη» της κουζίνας, για να το πω έτσι».

Η έρευνα αυτή έχει σημαντικές επιπτώσεις για την κατανόηση του σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη, αν και δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, υπολογίζεται ότι αποτελεί περίπου το 27% της συνολικής μάζας-ενέργειας του σύμπαντος. Η φύση της παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής. Οι συνδυασμένες γνώσεις από τις προσομοιώσεις του Frontier μπορούν να προσφέρουν νέες ενδείξεις σχετικά με τα χαρακτηριστικά της σκοτεινής ύλης και τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι ανακαλύψεις αυτές θα οδηγήσουν σε νέες θεωρίες και μοντέλα που θα μπορούσαν να εξηγήσουν φαινόμενα όπως η κοσμική δομή και η διαστολή του σύμπαντος. Επιπλέον, οι πληροφορίες που θα προκύψουν από αυτές τις προσομοιώσεις θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και εργαλείων για την παρατήρηση του σύμπαντος.

Η ύλη που γνωρίζουμε – το υλικό που μπορούμε να δούμε, από τις μαύρες τρύπες, τα μοριακά νέφη, τους πλανήτες και τα φεγγάρια – αντιπροσωπεύει μόνο το 5% του περιεχομένου του σύμπαντος, σύμφωνα με το CERN. Ένα πιο σημαντικό κομμάτι του σύμπαντος συνάγεται μόνο από τις βαρυτικές επιδράσεις που φαίνεται να έχει στην ορατή (ή ατομική) ύλη. Αυτό το αόρατο κομμάτι ονομάζεται σκοτεινή ύλη, ένας γενικός όρος για έναν αριθμό σωματιδίων και αντικειμένων που θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνα για το 27% περίπου του σύμπαντος. Το υπόλοιπο 68% της σύνθεσης του σύμπαντος αποδίδεται στη σκοτεινή ενέργεια, η οποία είναι υπεύθυνη για τον επιταχυνόμενο ρυθμό διαστολής του σύμπαντος.

Ο Frontier δεν είναι πλέον ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο

Ο Frontier είναι ένας από τους διάφορους υπερυπολογιστές exascale που χρησιμοποιεί το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας και περιλαμβάνει περισσότερους από 9.400 επεξεργαστές και πάνω από 37.000 GPU. Βρίσκεται στο Oak Ridge National Laboratory, αν και οι πρόσφατες προσομοιώσεις εκτελέστηκαν από ερευνητές του Argonne.

Τα αποτελέσματα των Frontier έγιναν δυνατά χάρη στον κώδικα του υπερυπολογιστή, τον Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (ή HACC). Ο δεκαπενταετής κώδικας επικαιροποιήθηκε στο πλαίσιο του οκταετούς προγράμματος Exascale Computing του DOE, ύψους 1,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων, το οποίο ολοκληρώθηκε φέτος.

Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων ανακοινώθηκαν τον περασμένο μήνα, όταν ο Frontier ήταν ακόμη ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο. Αλλά λίγο αργότερα, ο Frontier επισκιάστηκε από τον υπερυπολογιστή El Capitan ως ο ταχύτερος στον κόσμο. Ο El Capitan επαληθεύεται σε 1,742 πεντάκις εκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο, με συνολική μέγιστη απόδοση 2,79 πεντάκις εκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο, σύμφωνα με ανακοίνωση του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore.

*Με στοιχεία από το Oak Ridge National Laboratory.

 

➪ Ακολουθήστε το OLAFAQ στο Facebook, Bluesky και Instagram.