Команда создает модели структуры Млечного Пути

18 ноября 2014 г.

Кэти Элис Джонс, Национальная лаборатория Ок-Ридж

Если бы вы сегодня сфотографировали галактику Млечный Путь издалека, на фотографии была бы видна спиральная галактика с яркой центральной полосой (иногда называемой выпуклостью) плотного звездного населения. Солнце, которое очень трудно увидеть на вашей фотографии, будет расположено за пределами этой перемычки, рядом с одним из спиральных рукавов, состоящих из звезд и межзвездной пыли. За видимой галактикой будет ореол темной материи — невидимый для вашей камеры, но, тем не менее, важный, потому что он удерживает все вместе, снижая скорость вращения перемычки и спиральных рукавов.

Теперь, если бы вы захотели вернуться в прошлое и снять на видео формирование Млечного Пути, вы могли бы вернуться на 10 миллиардов лет назад, но многие выдающиеся особенности галактики были бы неузнаваемы. Вам придется подождать около 5 миллиардов лет, чтобы стать свидетелем формирования солнечной системы Земли. К этому моменту, 4,6 миллиарда лет назад, галактика выглядела почти так же, как сегодня.

«Грандиозная структура галактики возникла в результате самоорганизации звездного распределения за последние 10 миллиардов лет и в конечном итоге стала выглядеть как Млечный Путь на фотографии», — сказал Саймон Портегис Цварт из Лейденской обсерватории в Нидерландах.

Именно такую ​​временную шкалу видит команда исследователей из Нидерландов и Японии, в том числе Портегиес Цварт, когда они используют суперкомпьютеры для моделирования эволюции галактики Млечный Путь. Используя код, разработанный для суперкомпьютерных архитектур графических процессоров, в том числе для Cray XK7 Titan, расположенного в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики, симуляции команды были признаны финалистами премии Гордона Белла. Премия признает выдающиеся достижения в области высокопроизводительных вычислений и будет вручена Ассоциацией вычислительной техники на SC14 20 ноября.

«На самом деле мы не знаем, как возникла структура галактики», — сказал Портегис Цварт. «Мы поняли, что можем использовать положения, скорости и массы звезд в трехмерном пространстве, чтобы позволить структуре выйти из самогравитации системы».

Задача расчета структуры галактики по звездам заключается, как вы можете себе представить, в огромном количестве звезд в Млечном Пути — по крайней мере, в 100 миллиардах. Поэтому команде потребовалось как минимум моделирование с участием 100 миллиардов частиц, чтобы соединить все точки. До разработки кода команды, известного как «Бонсай», крупнейшая симуляция галактики включала около 100 миллионов, а не миллиардов частиц.

Команда протестировала раннюю версию Bonsai на Titan, втором по мощности суперкомпьютере в мире, в Oak Ridge Leadership Computing Facility, чтобы улучшить масштабируемость кода. После масштабирования Bonsai почти до половины узлов графического процессора Titan, команда запустила Bonsai на суперкомпьютере Piz Daint в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре и смоделировала формирование галактик в течение 6 миллиардов лет с 51 миллионом частиц, представляющих силы звезд и темной материи. После успешного запуска Piz Daint команда вернулась на Titan, чтобы максимизировать параллелизм кода.

Код Bonsai продемонстрировал масштабируемость на 18 600 узлах Титана (96% узлов графического процессора машины), что позволило бы смоделировать Млечный Путь на протяжении 8 миллионов лет и с 242 миллиардами частиц. Bonsai достиг почти 25 петафлопс устойчивой производительности с плавающей запятой одинарной точности на Титане. Операции с плавающей запятой одинарной точности используют меньше памяти, представляя числа с использованием 32 бит, тогда как операции с двойной точностью представляют более точные числа за счет использования 64 бит.

«Вместе с аспирантом Йеруном Бедорфом мы начали с написания единого кода для графических процессоров и намеренно никогда не писали код для центральных процессоров, потому что хотели, чтобы весь код работал на графических процессорах, чтобы использовать их параллелизм», — сказал Портегиес Цварт. «ЦП хоста используются только для оптимизации связи между узлами и графическими процессорами. Таким образом, мы можем полностью оптимизировать использование графических процессоров для обработки чисел и гораздо более медленных процессоров, чтобы минимизировать накладные расходы на связь».