剑桥，马萨诸塞州——一组最新发布的宇宙学模拟数据集合了近60万亿个粒子，是迄今为止产生的最大的一组。
该模拟套件被称为AbacusSummit，它的创造者预测，它将有助于从即将进行的宇宙调查中提取宇宙的秘密。他们在本周发表在《皇家天文学会月报》上的几篇论文中介绍了AbacusSummit。
AbacusSummit是纽约市熨斗研究所计算天体物理中心(CCA)和哈佛史密森天体物理中心的研究人员的产品。它由160多个模拟组成，模拟了宇宙中粒子如何在引力作用下运动。这种被称为n体模拟的模型，捕捉了暗物质的行为。暗物质是一种神秘而无形的力量，占宇宙的27%，只通过重力相互作用。
其中一篇新论文的第一作者、CCA研究员雷曼•加里森(Lehman Garrison)说:“这组粒子是如此之大，以至于它所含的粒子可能比所有其他n体模拟的总和还要多——尽管这是一个很难确定的说法。”
加里森与天体物理中心的研究生尼娜·马克西莫娃和天文学教授丹尼尔·爱森斯坦一起领导了AbacusSummit模拟的开发。模拟是在田纳西州橡树岭领导计算设施的美国能源部峰会超级计算机上进行的。
未来几年，几项太空调查将绘制出前所未有的宇宙地图。这些仪器包括暗能量光谱仪器(DESI)，南希格雷斯罗马空间望远镜，维拉c鲁宾天文台和欧几里德航天器。这些大预算任务的目标之一是提高对宇宙和天体物理参数的估计，这些参数决定了宇宙的行为和它的样子。
科学家们将通过比较新的观测结果和计算机模拟的不同参数值(比如将宇宙拉开的暗能量的性质)来做出改进的估计。
“未来一代的宇宙学调查将详细描绘宇宙，并探索一系列广泛的宇宙学问题，”爱森斯坦说，他是新MNRAS论文的合著者之一。“但利用这个机会需要新一代雄心勃勃的数值模拟。我们相信AbacusSummit将是计算和实验协同的大胆一步。”
这个长达十年的项目令人生畏。n体计算——试图计算物体的运动，如行星的引力作用——自艾萨克·牛顿时代以来，一直是物理学领域的首要挑战。这种技巧来自于每个对象与其他对象的互动，无论距离有多远。这意味着当你添加更多的东西时，相互作用的数量会迅速增加。
对于三个或更多的大质量物体，对于n体问题没有通用的解决方法。可用的计算只是近似值。一个常见的方法是冻结时间，计算作用在每个物体上的总力，然后根据它所受的净力推动每个物体。然后时间稍微向前移动，重复这个过程。
使用这种方法，AbacusSummit处理了大量的粒子，这要归功于巧妙的代码、一种新的数值方法和强大的计算能力。在该团队进行计算时，Summit超级计算机是世界上速度最快的;它仍然是美国最快的计算机
该团队为AbacusSummit设计了代码库——称为Abacus——以充分利用Summit的并行处理能力，即可以同时运行多个计算。特别值得一提的是，Summit拥有许多擅长并行处理的图形处理单元(gpu)。
使用并行处理运行n体计算需要仔细的算法设计，因为整个模拟需要大量的内存来存储。这意味着Abacus不能只是复制模拟数据，让超级计算机的不同节点工作。相反，代码将每个模拟划分为一个网格。初始计算提供了模拟中任意给定点上远处粒子效应的大致近似(其作用比附近的粒子小得多)。然后Abacus将附近的细胞分组，并将它们分开，这样计算机就可以独立地处理每一组细胞，将近似值与近似值的精确计算结合起来。
“Abacus算法与现代超级计算机的能力非常匹配，因为它为GPU协同处理器的大规模并行性提供了非常规则的计算模式，”Maksimova说。
由于Abacus的设计，它的速度非常快，在Summit超级计算机的每个节点上每秒更新7000万个粒子，同时还在运行时对模拟进行分析。每个粒子代表一个暗物质团，其质量是太阳的30亿倍。
加里森说:“我们的愿景是创建这些代码，以提供这一特殊的新星系调查所需的模拟。”“我们编写了代码，以比以往更快、更准确地进行模拟。”
爱森斯坦是DESI合作项目的成员之一，该项目最近开始勘测宇宙中一个前所未有的部分，他说他渴望在未来使用Abacus。
“宇宙学正在跃进，因为壮观的观测和最先进的计算的多学科融合，”他说。“在我们研究宇宙历史扫荡的过程中，未来十年有望成为一个了不起的时代。”
Abacus和AbacusSummit的其他联合创造者包括斯坦福大学的Sihan Yuan、亚利桑那大学的Philip Pinto、英国杜伦大学的Sownak Bose以及天体物理学研究中心的Boryana Hadzhiyska、Thomas Satterthwaite和Douglas Ferrer。这些模拟在高级科学计算研究领导计算挑战分配下的Summit超级计算机上运行。
