우주가 어떻게 형성되었는지 이해하기 위해 천문학자인 AbacusSummit은 중력이 암흑 물질의 분포를 어떻게 형성하는지에 대한 160개 이상의 시뮬레이션을 만들었습니다.
새로 출시된 우주 시뮬레이션 어레이는 지금까지 생산된 것 중 가장 큰 것으로 총 60조 개에 달하는 입자를 기록합니다.
AbacusSummit이라고 하는 시뮬레이션 세트는 제작자들이 기대하는 다가오는 우주 조사에서 우주의 비밀을 추출하는 데 유용할 것입니다. 그들은 최근에 발표된 여러 연구 논문에서 AbacusSummit을 제시합니다. 왕립천문학회 월간 공지.
AbacusSummit은 뉴욕시에 있는 Flatiron Institute(CCA) Center for Computational Astrophysics(CCA)와 Center for Astrophysics | 하버드와 스미소니언. 160개 이상의 시뮬레이션으로 구성된 이 게임은 우주의 입자가 중력으로 인해 어떻게 움직이는지를 묘사합니다. N체 시뮬레이션으로 알려진 이 모델은 우주의 27%를 구성하고 중력에 의해서만 상호 작용하는 불가사의하고 보이지 않는 힘인 암흑 물질의 거동을 포착합니다.
AbacusSummit의 컬렉션에는 중력이 우주 전체의 암흑 물질 분포를 형성하는 방법에 대한 수백 가지 시뮬레이션이 포함되어 있습니다. 여기에서 시뮬레이션 중 하나의 스냅샷이 12억 광년의 배율로 표시됩니다. 시뮬레이션은 우주 그물과 거대한 은하단과 같은 우리 우주의 대규모 구조를 복제합니다. 크레딧: AbacusSummit 팀; 기획 및 디자인 Lucy Reading-Ikanda
새로운 논문 중 하나의 주 저자이자 CCA의 연구원인 Lehman Garrison은 말합니다.
Garrison은 Center for Astrophysics에서 근무하는 대학원생 Nina Maksimova 및 천문학 교수 Daniel Eisenstein과 함께 조리대 시뮬레이션 개발을 주도했습니다. 시뮬레이션은 테네시의 Oak Ridge 리더십 컴퓨팅 시설에 있는 미국 에너지부 슈퍼컴퓨터에서 수행되었습니다.
많은 우주 탐사는 앞으로 몇 년 동안 전례 없이 상세한 우주 지도를 생성할 것입니다. 이러한 암흑 에너지 분광 장치에는 (데시), 로만 낸시 그레이스 우주 망원경, 베라 시 로빈 천문대 및 유클리드 우주선. 이러한 대규모 예산 임무의 한 가지 목표는 우주가 어떻게 행동하고 보이는지를 결정하는 우주론적 및 천체 물리학적 매개변수의 추정치를 개선하는 것입니다.
과학자들은 새로운 관찰 결과를 우주를 분리하는 암흑 에너지의 특성과 같은 다양한 매개변수에 대해 다른 값을 사용하여 우주에 대한 컴퓨터 시뮬레이션과 비교함으로써 이러한 개선된 추정치를 내릴 것입니다.
카운터는 병렬 컴퓨터 처리를 활용하여 중력으로 인해 입자가 움직이는 방식에 대한 계산 속도를 크게 높입니다. 순차 처리 방식(상단)은 각 입자 쌍 사이의 인력을 하나씩 계산합니다. 대신 병렬 처리(하단)는 여러 컴퓨팅 코어에서 작업을 분할하여 여러 입자 상호 작용을 동시에 계산할 수 있도록 합니다. 크레딧: Lucy Reading-Ikanda 재단/Simons
새로운 MNRAS 논문의 공동 저자인 Eisenstein은 “차세대 우주 탐사는 우주를 매우 자세하게 지도화하고 광범위한 우주론적 질문을 탐구할 것입니다.”라고 말했습니다. 그러나 이 기회를 활용하려면 새로운 세대의 야심찬 수치 시뮬레이션이 필요합니다. 우리는 AbacusSummit이 계정과 경험 간의 시너지 효과를 위한 대담한 단계가 될 것이라고 믿습니다. “
10년에 걸친 프로젝트는 벅찬 프로젝트였습니다. 중력과 상호 작용하는 행성과 같은 물체의 운동을 계산하려고 시도하는 N체 계산은 아이작 뉴턴(Isaac Newton) 시대부터 물리학 분야에서 가장 큰 도전이었습니다. 트릭은 거리에 관계없이 각 개체와 다른 모든 개체의 상호 작용에서 비롯됩니다. 즉, 더 많은 항목을 추가할수록 상호 작용의 수가 빠르게 증가합니다.
세 개 이상의 질량체에 대한 N체 문제에 대한 일반적인 해결책은 없습니다. 사용 가능한 계산은 대략적인 추정치일 뿐입니다. 일반적인 방법은 시간을 고정하고 각 물체에 작용하는 총 힘을 계산한 다음 경험하는 총 힘을 기반으로 각 요소를 푸는 것입니다. 그런 다음 시간이 조금 앞으로 이동하고 프로세스가 반복됩니다.
이 접근 방식을 사용하여 AbacusSummit은 영리한 코드, 새로운 수치 방법 및 많은 컴퓨팅 성능 덕분에 수많은 입자를 처리했습니다. Summit 슈퍼컴퓨터는 팀이 계산을 수행할 당시 세계에서 가장 빨랐습니다. 여전히 미국에서 가장 빠른 컴퓨터
팀은 Abacus라고 하는 Summit AbacusSummit의 코드 기반을 설계하여 많은 계산을 동시에 수행할 수 있는 Summit의 병렬 처리 능력을 최대한 활용했습니다. 특히 Summit은 병렬 처리에 탁월한 여러 GPU 또는 GPU를 자랑합니다.
병렬 처리를 사용하여 N-바디 계산을 실행하려면 전체 시뮬레이션에 저장을 위해 많은 양의 메모리가 필요하기 때문에 신중한 알고리즘 설계가 필요합니다. 이것은 카운터가 슈퍼컴퓨터의 다른 노드에 대한 시뮬레이션 복사본을 만들 수 있을 뿐만 아니라 작업할 수 있음을 의미합니다. 대신 코드는 각 시뮬레이션을 그리드로 나눕니다. 초기 계산은 시뮬레이션의 특정 지점(근처 입자보다 훨씬 작은 역할을 함)에서 멀리 떨어진 입자의 효과에 대한 공정한 근사치를 제공합니다. 그런 다음 카운터는 가까운 세포를 그룹화하고 분리하여 컴퓨터가 각 그룹에 대해 독립적으로 작업할 수 있도록 멀리 떨어진 입자의 근사값과 가까운 입자의 정확한 계산을 결합합니다.
Maximova는 “카운터 알고리즘은 최신 슈퍼컴퓨터의 기능에 잘 맞아 공유 GPU의 대규모 병렬 처리를 위해 매우 규칙적인 계산 패턴을 제공합니다.
그 설계 덕분에 카운터는 매우 빠른 속도를 달성하여 Summit 슈퍼컴퓨터의 노드당 초당 7천만 개의 입자를 새로 고치면서 실행 중인 시뮬레이션을 분석했습니다. 각 입자는 태양 질량의 30억 배에 달하는 암흑 물질의 질량을 나타냅니다.
Garrison은 “우리의 비전은 이 새로운 특정 은하 조사에 필요한 시뮬레이션을 제공하기 위해 이 코드를 만드는 것이었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 시뮬레이션을 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 만들기 위해 코드를 작성했습니다.”
최근에 우주의 전례 없는 부분을 매핑하기 위한 조사를 시작한 DESI 협업의 일원인 Eisenstein은 앞으로 이 계수기를 사용하고 싶다고 말합니다.
“우주론은 놀라운 관측과 현대 컴퓨팅의 학제 간 융합으로 인해 도약하고 있습니다.”라고 그는 말합니다. “향후 10년은 우리가 우주의 역사적 휩쓸기에 대한 연구에서 매혹적인 시대가 될 것입니다.”
참조: “Abacus Top: 방대한 컬렉션건강, Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose 및 Thomas P. Satterthwaite의 고해상도 N체 시뮬레이션”, 2021년 9월 7일, m왕립천문학회 정기 고시.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484
Abacus Summit 및 Abacus의 추가 공동 저자로는 Stanford 대학의 Sihan Yuan, 애리조나 대학의 Philip Pinto, 영국 Durham 대학의 Sunak Boss 및 천체 물리학 연구 센터 Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite 및 Douglas Ferrer가 있습니다. 시뮬레이션은 Scientific Computing Research를 위한 Advanced Computing Challenge 과제에 따라 Summit 슈퍼컴퓨터에서 실행되었습니다.
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”