Stor kosmologisk simulation til at køre på Mira

En ekstremt stor kosmologisk simulering – blandt de fem mest omfattende nogensinde udført – er indstillet til at køre på Mira til efteråret og eksemplificerer omfanget af problemer, der behandles på lederskabsklassens supercomputer ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Argonne National Laboratory.

Argonne-fysiker og beregningsforsker Katrin Heitmann leder projektet. Heitmann var blandt de første til at udnytte Miras evner, da i 2013, IBM Blue Gene/Q-systemet gik online på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Blandt de største kosmologiske simuleringer nogensinde udført på det tidspunkt, den ydre kantsimulering, som hun og hendes kolleger udførte, muliggjorde yderligere videnskabelig forskning i mange år.

For den nye indsats, Heitmann er blevet tildelt cirka 800 millioner kernetimer til at udføre en simulering, der afspejler banebrydende observationsfremskridt fra satellitter og teleskoper og vil danne grundlag for himmelkort, der bruges af adskillige undersøgelser. Udvikling af et enormt antal partikler, simuleringen er designet til at hjælpe med at løse mysterier med mørk energi og mørkt stof.

"Ved at transformere denne simulering til en syntetisk himmel, der tæt efterligner observationsdata ved forskellige bølgelængder, dette arbejde kan muliggøre et stort antal videnskabelige projekter i hele forskningssamfundet, " sagde Heitmann. "Men det giver os en stor udfordring." Det vil sige, for at generere syntetiske himmelstrøg på tværs af forskellige bølgelængder, holdet skal udtrække relevant information og udføre analyser enten på flueben eller efterfølgende i efterbehandling. Efterbehandling kræver opbevaring af enorme mængder data – så meget, faktisk, at blot at læse dataene bliver ekstremt beregningsmæssigt dyrt.

Siden Mira blev lanceret, Heitmann og hendes team har i deres Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) implementeret mere sofistikerede analyseværktøjer til on-the-fly behandling. "I øvrigt, sammenlignet med Outer Rim Simulation, vi har gennemført tre store forbedringer, sagde hun. Først vores kosmologiske model er blevet opdateret, så vi kan køre en simulering med de bedst mulige observationsinput. Sekund, da vi sigter efter en fuld maskinkørsel, volumen vil blive øget, fører til bedre statistik. Mest vigtigt, vi opsætter flere nye analyserutiner, der vil give os mulighed for at generere syntetiske himmelstrøg til en bred vifte af undersøgelser, til gengæld giver os mulighed for at studere en bred vifte af videnskabelige problemer."

Holdets simulering vil behandle adskillige grundlæggende spørgsmål inden for kosmologi og er afgørende for at muliggøre forfining af eksisterende forudsigelsesværktøjer og hjælpe med udviklingen af ​​nye modeller, påvirker både igangværende og kommende kosmologiske undersøgelser, inklusive Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), Large Synoptic Survey Telescope (LSST), SPHEREx, og det "Stage-4" jordbaserede kosmiske mikrobølgebaggrundseksperiment (CMB-S4). Værdien af ​​simuleringen stammer fra dens enorme volumen (som er nødvendig for at dække betydelige dele af undersøgelsesområder) og fra opnåelse af niveauer af masse- og kraftopløsning, der er tilstrækkelige til at fange de små strukturer, der er vært for svage galakser.

Volumen og opløsning stiller stejle beregningskrav, og fordi de ikke er let at møde, få storskala kosmologiske simuleringer udføres. Medvirkende til vanskeligheden ved deres udførelse er det faktum, at supercomputeres hukommelsesfodspor ikke har udviklet sig proportionalt med behandlingshastigheden i årene siden Miras introduktion. Dette gør det system, trods sin relative alder, temmelig optimalt til en storstilet kampagne, når den udnyttes fuldt ud.

"En beregning af denne skala er blot et glimt af, hvad exascale-ressourcerne i udvikling nu vil være i stand til i 2021/22, " sagde Katherine Riley, ALCF direktør for videnskab. "Forskersamfundet vil drage fordel af dette arbejde i meget lang tid."