云谷策略美国巨型超级计算机用5万块GPU模拟13.4万亿个暗物质粒子

两项跨越数十亿光年的模拟旨在检验宇宙的起源。

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员完成了迄今规模最大的宇宙学模拟中的两项，在宇宙286亿光年的区域内模拟了13.4万亿个暗物质粒子。

这些模拟在阿贡的百亿亿次超级计算机Aurora上运行，每次计算使用8100个计算节点和约5万块图形处理器（GPU）。团队在大约四天内完成了两次运行和大部分数据分析，生成了海量数据集，旨在帮助科学家研究宇宙最早的时刻，并解读大型天文巡天的观测结果。

该项目由阿贡计算科学家尼古拉斯·弗龙蒂埃（Nicholas Frontiere）领导，重点理解宇宙暴胀——一种被提出的大爆炸后不久极快速膨胀时期。尽管暴胀是现代宇宙学的核心组成部分，但驱动它的物理机制仍不确定。

模拟宇宙以研究宇宙暴胀

研究人员称，暴胀在早期宇宙中将微小的量子涨落拉伸到遥远距离。在数十亿年间，引力放大了这些微小的密度变化，帮助形成了今天观测到的大尺度星系和暗物质宇宙网。

暗物质无法通过普通光直接观测，但其引力影响有助于塑造星系分布。模拟使用粒子追踪暗物质的密度和速度，使科学家能够模拟宇宙结构如何演化。

团队尤其关注原初非高斯性：即对标准暴胀模型所预测的简单统计分布的细微偏离。探测此类偏离有助于区分相互竞争的暴胀解释，并揭示更多关于宇宙最早状态的信息。

然而，任何潜在信号预计都很微弱，并可能被宇宙方差掩盖——当观测只覆盖宇宙有限部分时产生的统计不确定性。因此，研究人员需要模拟既具有巨大体积，又具有足够分辨率来捕捉暗物质晕（星系形成于其中的结构）。

为什么Aurora的计算能力至关重要

Aurora的架构帮助研究人员同时满足这两项要求。该机器拥有10624个节点和63744块GPU，并配备高容量内存和旨在处理海量数据流的存储系统。

这些模拟通过Aurora的分布式异步对象存储系统生成了超过85拍字节的数据，主要用于检查点。这些检查点使计算在中断后能够继续，而不必从头重新开始。团队保留了约8拍字节用于科学分析。

团队使用了阿贡的硬件/混合加速宇宙学代码（HACC），该代码旨在跨不同超级计算架构运行大规模宇宙学模拟。与橡树岭国家实验室Frontier系统上较早的一个项目不同——该项目在模拟引力的同时还模拟气体、恒星和其他过程——Aurora上的模拟仅关注引力。这种方法使研究人员能够用更多粒子覆盖更大的宇宙体积。

为下一代天空巡天做准备

这两项模拟使用相同的宇宙学模型和非高斯信号，但它们的初始相位被翻转。将二者结合起来分析有助于抵消一些随机变化，并分离出底层物理。信号强度也被隐藏，使研究人员能够在事先不知道预期答案的情况下测试分析方法。

由此产生的合成观测将帮助科学家验证工作流程，并在将其应用于美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务等项目的真实数据之前，识别潜在偏差。

通过在整个天空生成逼真的模拟观测，这些模拟可以帮助研究人员从这些巡天中提取更可靠的测量结果。其规模也为科学家提供了一个强大的试验平台，用于检查早期宇宙的细微特征。

该项目通过美国能源部的创新与新颖计算对理论与实验影响计划（INCITE）获得了计算时间。随着DESI、SPHEREx和其他巡天收集越来越详细的观测，这种规模的模拟可以帮助弥合理论模型与天文学家实际看到的宇宙之间的差距。

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