美國啟用全球最快的超級計算機協(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驗室中‘捕捉’到暗能量?！?/p>

而在 5 月 27 日啟用的 Perlmutter 超級計算機，正是為了捕捉暗能量，它隸屬于美國國家能源研究科學計算中心（NERSC）。Perlmutter 超級計算機基于超算公司 Cray 的 “Shasta” 平臺，具有 GPU 加速節(jié)點和 CPU 節(jié)點，其預期性能是美國國家能源研究科學計算中心當前的旗艦級超級計算機科里（Cori）的 3-4 倍。

啟用后，它將協(xié)助科學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現(xiàn)象，而 Perlmutter 超級計算機還將處理有著 “宇宙攝像機” 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驗室管理，暗能量的主要發(fā)現(xiàn)者是美國伯克利實驗室的天體物理學家索爾?珀爾默特（Saul Perlmutter）。

索爾此前的部分工作正是在美國國家能源研究科學計算中心的相關設備上進行的，他也因此獲得 2011 年諾貝爾物理獎，Perlmutter 超級計算機的命名正是為了紀念他。在 5 月 27 日的啟動儀式上，索爾也在線上致以祝賀。

暗能量之所以難以捕捉到，是因為人類根本無法感受到它的侵入。按照當前主流模型來計算，假如暗物質(zhì)粒子是質(zhì)量為 100GeV（約 100 個質(zhì)子的質(zhì)量）的超對稱粒子，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，雖然暗物質(zhì)粒子每時每刻都在 “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設備，也很難捕捉到這個 “靈活的妖怪”。

“21 世紀初物理學天空存在的兩朵烏云”

在 Perlmutter 超級計算機正式啟動的十天前，5 月 17 日，暗能量光譜儀已經(jīng)作為 “開路先鋒” 先行啟動，啟動后將開始為期 5 年的宇宙探索之旅。此前，暗能量光譜儀已進行了為期四個月的試運行，期間捕獲了 400 萬個星系的光譜，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一臺直徑 4 米的望遠鏡上，其核心是 5000 個獨立的鉛筆大小的機器人，每個機器人控制一個光纖眼，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器人捕獲多達 5000 個星系。

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

該項目的共同發(fā)言人、法國替代能源和原子能委員會的宇宙學家納塔莉?帕蘭克 — 德拉布維爾（Natalie Palanque-Drabwell）表示，大約 10 年前他們開始設計該儀器，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問題：什么是暗能量？以及引力遵循廣義相對論定律的程度有多少？只有理解這兩個問題，人類才能具備理解宇宙的基礎。

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

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

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

美國能源部負責高能物理的副主任吉姆?西格里斯特（Jim Siegrist）表示，這是首個開始進行科學調(diào)查的下一代暗能量的項目。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領域。

該項目負責人、伯克利實驗室的邁克爾?列維（Michael Levy）解釋說，暗能量光譜儀的獨特之處在于，能測量比以往任何時候都多 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宇宙加速膨脹的，還能窺視這種排斥力量對于宇宙結(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愛因斯坦的廣義相對論正確與否?！?/p>

此外，憑借 Perlmutter 超級計算機的 GPU 速度，研究人員能及時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該對準的位置。而在此前系統(tǒng)中，研究人員尚未使用 Perlmutter 超級計算機，那時需要幾周乃至幾月才能完成全年數(shù)據(jù)的發(fā)布準備工作，有了 Perlmutter 超級計算機，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。

其中，6000 個英偉達 A100 GPU 給 Perlmutter 超級計算機提供了近 4 百億億次混合精度性能，這將幫助科學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)學運算方面，Perlmutter 超級計算機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 A100 Tensor Core GPU，可支持物理學、氣象科學等領域的 20 多種應用。另據(jù)悉，今年晚些時候，Perlmutter 超級計算機將在美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展第二階段的項目。

Perlmutter 超級計算機的兩只 “老虎翅膀”：A100 和開源代碼 RAPIDS

據(jù)悉，傳統(tǒng)超級計算機很難在幾納秒內(nèi)使用 Quantum Espresso 這種開源計算機代碼套件，來處理在模擬多個原子時所需的數(shù)學運算。然而，如果把 Quantum Espresso 的高精度模擬與機器學習相結(jié)合，科學家們可以在更長時間內(nèi)研究更多原子。

美國國家能源研究科學計算中心的應用性能專家布蘭登?庫克（Brandon Cook）表示：“以前我們不可能針對電池接口這樣的大型系統(tǒng)進行完整的原子模擬，但現(xiàn)在科學家們計劃用 Perlmutter 超級計算機來進行這一模擬?！?目前，布蘭登正在參與啟動此類項目。

其中，英偉達 A100 中的 Tensor Core 可在這些方面發(fā)揮相應作用，A100 不僅能加速用于模擬的雙精度浮點數(shù)學運算，還能加速深度學習所需的混合精度計算。

另外，英偉達開源代碼 RAPIDS 也將加快美國國家能源研究科學計算中心的 Python 程序員團隊的工作速度。相比此前的 CPU，它使該中心的科里（Cori）超級計算機網(wǎng)絡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：“自從二十世紀末暗能量被發(fā)現(xiàn)以來，中國的物理學家和天文學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。當然，我們依然要清醒地認識到，暗能量的本質(zhì)目前仍是未解之謎，需要全世界的科學家繼續(xù)努力去揭開謎團?！?/p>

編輯：jq