Coletivamente clocking em quase 60 trilhões de partículas, um conjunto recém-lançado de simulações cosmológicas é de longe o maior já produzido.
A suíte de simulação, apelidado de Abacussummit, será fundamental na extração de segredos do universo dos próximos pesquisas do Cosmos, seus criadores predizem. Eles apresentam Abacussummit em vários artigos publicados em 25 de outubro em avisos mensais da Royal Astronomical Society.
AbacusSummit foi produzido por pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron (CCA) em Nova York e no Centro de Astrofísica | Harvard e Smithsonian. Composto por mais de 160 simulações, modela como a atração gravitacional faz com que as partículas em um universo em forma de caixa se movam. Tais modelos, conhecidos como simulações do corpo N, capturam o comportamento da matéria escura, o que compõe a maior parte do material do universo e interage apenas via gravidade.
“Esta suíte é tão grande que provavelmente tem mais partículas do que todas as outras simulações de n-corpo que já foram executadas combinadas – embora isso seja uma declaração difícil de ter certeza”, diz Lehman Garrison, principal autor de um dos novos documentos e um colega de pesquisa CCA.
A guarnição liderou o desenvolvimento das simulações de AbacusSummit, juntamente com o estudante de pós-graduação Nina Maksimova e o professor de astronomia Daniel Eisenstein, tanto do Centro de Astrofísica. As simulações correram no supercomputador da Cúpula do Departamento de Energia da U.S. na instalação de computação de liderança de Oak Ridge em Tennessee.
AbacusSummit logo será útil, pois várias pesquisas produzirão mapas do cosmos com detalhes sem precedentes nos próximos anos. Estes incluem o instrumento espectroscópico de energia escura, o telescópio espacial Nancy Grace Roman e a espaçonave de euclides. Um dos objetivos dessas missões de grande orçamento é melhorar as estimativas dos parâmetros cósmicos e astrofísicos que determinam como o universo se comporta e como parece.
Os cientistas farão com que essas estimativas melhoradas comparassem as novas observações às simulações de computador do universo com valores diferentes para os vários parâmetros – como a natureza da energia escura, separando o universo. Com as melhorias oferecidas pelas pesquisas de próxima geração, vem a necessidade de melhores simulações, diz Garrison.
“As pesquisas da galáxia estão entregando mapas tremendamente detalhados do universo, e precisamos de simulações similarmente ambiciosas que cobrem uma ampla gama de possíveis universos que possamos viver”, diz ele. “Abacussummit é a primeira suíte de tais simulações que tem a amplitude e a fidelidade para comparar com essas observações incríveis”.
O projeto foi assustador. Cálculos de N-corpo – que tentam calcular os movimentos de objetos, como planetas, interagindo gravitacionalmente – têm sido entre os principais desafios no campo da física desde os dias de Isaac Newton. Eles são complicados porque cada objeto interage com todos os outros objetos, não importa o quão longe eles sejam. Isso significa que, ao adicionar mais objetos, o número de interações aumenta rapidamente.
Não há solução geral para o problema do corpo N para três ou mais corpos maciços. Os cálculos disponíveis são simplesmente aproximações. Uma abordagem comum é congelar o tempo, calcular a força total que atua em cada objeto e, em seguida, empurrando cada um com base na força líquida que experimenta. O tempo é então movido para frente ligeiramente, e o processo se repete.
Usando essa abordagem, abacussummit lidou com números colossais de partículas graças ao código inteligente, um novo método numérico e muita energia de computação. O supercomputador de cúpula foi o mais rápido do mundo no momento em que a equipe correu os cálculos.
A equipe projetou seu codebase – chamado Abacus – para aproveitar ao máximo a energia paralela do processamento da Cúpula, pelo que vários cálculos podem ser executados simultaneamente. A cúpula possui muitas unidades de processamento gráficos ou GPUs, que se destacam no processamento paralelo.
Running N-corpo cálculos usando processamento paralelo requer um design de algoritmo cuidadoso, porque uma simulação inteira requer uma quantidade substancial de memória para armazenar. Isso significa que o ábaco não pode simplesmente fazer cópias da simulação para diferentes nós do supercomputador para trabalhar. Portanto, o código divide cada simulação em uma grade. Um cálculo inicial fornece uma aproximação justa dos efeitos das partículas distantes em qualquer determinado ponto na simulação. (Partículas distantes desempenham um papel muito menor do que as partículas próximas.) Abacus, em seguida, agrupa as células próximas e divide-as para que o computador possa funcionar em cada grupo de forma independente, combinando a aproximação de partículas distantes com cálculos precisos de partículas próximas.
Para grandes simulações, os pesquisadores descobriram que a abordagem do ábaco oferece uma melhoria significativa em outras faixas de code do corpo N, que dividem as simulações irregularmente com base na distribuição de partículas. As divisões uniformes usadas pela AbacusSummit fazem melhor uso do processamento paralelo, relatam os pesquisadores. Além disso, a regularidade da abordagem de grade do ábaco permite que uma grande quantidade de aproximação de partículas distantes seja computada antes que a simulação seja iniciada.
Graças ao seu design, o ábaco pode atualizar 70 milhões de partículas por segundo por nó do supercomputador de cúpula (cada partícula representa uma moita de matéria escura com 3 bilhões de vezes a massa do sol). O código pode até analisar uma simulação como está sendo executado, procurando por correções de matéria escura indicativa das galáxias de formação de estrelas brilhantes que são um foco de pesquisas futuras.
“Nossa visão foi criar este código para entregar as simulações necessárias para esta nova nova marca de pesquisa da Galaxy”, diz Garrison. “Escrevemos o código para fazer as simulações muito mais rápidas e com muito mais precisão do que nunca.”
Eisenstein, que é membro da colaboração do instrumento espectroscópico de energia escura – que recentemente iniciou sua pesquisa para mapear uma fração sem precedentes do universo – diz que está ansioso para usar o ábaco no futuro.
“A cosmologia é saltada por causa da fusão multidisciplinar de observações espetaculares e computação de última geração”, diz ele. “A próxima década promete ser uma idade maravilhosa em nosso estudo da varredura histórica do universo”.
Co-criadores adicionais de Abacus e AbacusSummit incluem Sihan Yuan da Universidade de Stanford, Philip Pinto da Universidade do Arizona, Showlak Bose of Durham University, na Inglaterra e centro de pesquisadores de astrofísica, Boryana Hadzhiyska, Thomas Satterthwaite e Douglas Ferrer. As simulações correram no supercomputador de cúpula sob uma avançada de pesquisa científica de pesquisa de pesquisa de liderança de desafio.
Publicado em 26/10/2021 11h40
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