近日，中國科學(xué)家依托“天河二號”超級計算機(jī)，“拍”出了一部史上最細(xì)致的“宇宙大片”，呈現(xiàn)了137億年的宇宙成長史。不過，讓他們憂心的是——
“搭檔”宇宙學(xué)：超算還太“嫩”
137億年里，宇宙是怎么變成現(xiàn)在這樣的？
這是人類一直在探索的科學(xué)和哲學(xué)問題。如今，科學(xué)家用高性能計算機(jī)，基于數(shù)值模擬技術(shù)“拍”出了一部史上最細(xì)致的“宇宙大片”，呈現(xiàn)了這一漫長的宇宙成長史。
近日，國家超算廣州中心透露，北京師范大學(xué)天文學(xué)系教授張同杰領(lǐng)銜的宇宙中微子數(shù)值模擬團(tuán)隊，依托“天河二號”超級計算機(jī)，成功完成了3萬億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進(jìn)程。
盡管我國超算中心蜂擁而起，但“天河二號”是唯一能完成這項任務(wù)的平臺，超算要想更好地支撐天文發(fā)展，無論是軟件還是硬件，都有很長的路要走。
把宇宙裝進(jìn)“盒子”
這個看似極其專業(yè)的研究，說白了就是用虛擬的3萬億顆粒子模擬宇宙演化的過程。
“我們把這么多粒子放在一個虛擬的方盒子里，模擬宇宙的演化。”張同杰在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時解釋。
在計算機(jī)模擬中，宇宙形成初期，這3萬億虛擬粒子就像散沙一樣分布在盒子中。隨著時間推移，科學(xué)家根據(jù)天體物理與宇宙學(xué)模型設(shè)計好的引力作用下，這些粒子會相互聚合、分散，模擬宇宙的演化過程。此次模擬正是要盡可能還原宇宙中微子和暗物質(zhì)在宇宙中的真實演化情況。
研究人員會選幾個重要的演化時間段，將模擬結(jié)果做成動態(tài)“大片”。
張同杰說，用3萬億粒子做模擬是史無前例的。美國最大做到了1.07萬億粒子數(shù)的規(guī)模。
粒子數(shù)越大，模擬出的宇宙演化過程也就越清晰，可以把原來無法呈現(xiàn)的天體物理細(xì)節(jié)模擬出來，而這對計算能力提出了更高的要求。
于是，數(shù)據(jù)存儲成了大問題。“我們的模擬在一個時間節(jié)點上輸出的數(shù)據(jù)就有約30T，整個模擬做下來產(chǎn)生了P量級的數(shù)據(jù)量。”張同杰說，“下一階段我們還想把黑洞和蟲洞的形成過程加進(jìn)模擬中去，現(xiàn)在是P量級的數(shù)據(jù)量，將來可能會達(dá)到幾百P，到時候數(shù)據(jù)存放都會成為問題。”
同時，長達(dá)一年半的研究，也使計算費高得難以承受。“很燒錢。盡管超算廣州中心給予了大力支持，但是長遠(yuǎn)而言, 我們還是需要科學(xué)基金的支持。”張同杰說。
宇宙學(xué)鞭策超算發(fā)展
中科院超算中心研究員王龍告訴記者，國內(nèi)的計算宇宙學(xué)工作最早可追溯到上世紀(jì)80年代，目前的計算宇宙學(xué)專家很多有海外留學(xué)背景，能在國內(nèi)超算資源不甚豐富的情況下用國外超算開展研究。
“大多數(shù)高精度宇宙學(xué)數(shù)值模擬，都依賴超算技術(shù)。”張同杰說。
隨著國內(nèi)超算能力的提升，越來越多的計算宇宙學(xué)學(xué)者開始在國內(nèi)的超級計算機(jī)上開展宇宙學(xué)數(shù)值模擬。
2010年，中科院紫金山天文臺、中科院國家天文臺、中科院上海天文臺和中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心成立的中國計算宇宙學(xué)聯(lián)盟，提出了一項大型宇宙學(xué)數(shù)值模擬計劃——“盤古計劃”。當(dāng)年11月，這項計劃用300億虛擬粒子在邊長為45億光年的“盒子”里完成宇宙模擬實驗，這一模擬的分辨率在當(dāng)時居世界第三。
如今300億的粒子數(shù)，早已不能滿足天文科學(xué)家對細(xì)節(jié)的追求。
“與其他領(lǐng)域相比，宇宙數(shù)值模擬對運算存儲能力的要求更高。”王龍告訴記者，宇宙學(xué)是超算發(fā)展的支柱性應(yīng)用之一。在國外，每次推出新的超級計算機(jī)，率先部署的全機(jī)應(yīng)用往往都有宇宙演化模擬。
在需求的推動下，超算也在不斷努力。前不久，中科曙光就專門為中科院紫金山天文臺設(shè)計了GPU集群，以縮短計算運行周期。
如今，“‘天河二號’在運算和存儲上都能夠滿足我們完成3萬億粒子數(shù)的數(shù)值模擬。”張同杰說。但他也表示，除“天河二號”外，目前世界上難有平臺可擔(dān)此重任。
軟件實力跟不上需求
“因為發(fā)展自主超算軟件需要較長的周期，國內(nèi)很多宇宙學(xué)團(tuán)組會選擇與國外的研究機(jī)構(gòu)合作，使用他們的軟件。”中科院網(wǎng)絡(luò)信息中心研究人員曹宗雁告訴記者，目前天文領(lǐng)域最普遍使用的軟件是德國開發(fā)的數(shù)值模擬軟件。
在衡量一個國家的超級計算綜合實力時，軟件的重要性絲毫不亞于硬件。但我國“無論是硬件還是軟件，用的大都是國外的”。曹宗雁說。
2010年，曹宗雁博士畢業(yè)。為了做宇宙學(xué)超算軟件，計算機(jī)專業(yè)出身的他選擇去國家天文臺做博士后。
王龍告訴記者，對于天文本專業(yè)的人而言，由于研發(fā)軟件需要較長的時間投入，必然影響論文產(chǎn)出等科研評價指標(biāo)，開展軟件研發(fā)的人也相當(dāng)少。
另一制約宇宙學(xué)軟件發(fā)展的因素是機(jī)時費問題。開展一組宇宙學(xué)模擬往往需要百萬元級的機(jī)時費，時至今日，曹宗雁研發(fā)的一款數(shù)值模擬軟件仍沒能去“天河二號”上一試身手。“我們需要支持。”曹宗雁說。
王龍告訴記者，目前的超算經(jīng)費更多被投入到硬件上，軟件開發(fā)的經(jīng)費投入比例與國外相比明顯偏低。
此外，發(fā)展計算宇宙學(xué)另一個挑戰(zhàn)在于如何對龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。“可視化一方面可以幫助天文學(xué)家從浩繁的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，另一方面對科普的貢獻(xiàn)也很大。”王龍說，可視化軟件研究也應(yīng)得到高度重視，否則隨著超級計算機(jī)的迅猛發(fā)展，計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在處理時將面臨更大挑戰(zhàn)。（倪思潔）