“搭档”宇宙学：天河二号超算还太“嫩”

最近，依靠天河二号超级计算机，中国科学家“拍摄”了历史上最详细的“宇宙大片”，展示了137亿年的宇宙成长历史。然而，他们担心的是-

“伙伴”宇宙学:超生太“年轻”

■我们的记者倪思杰

137亿年后宇宙是如何变成这样的？

这是人类一直在探索的科学和哲学问题。今天，科学家们用高性能计算机和基于数值模拟技术“拍摄”了历史上最详细的“宇宙大片”，展示了宇宙成长的漫长历史。

近日，国家超级计算广州中心透露，北师大天文系教授张领导的宇宙中微子数值模拟团队，依托“天河二号”超级计算机，成功完成了3万亿粒子宇宙中微子和暗物质的数值模拟，揭示了大爆炸后1600万年以来约137亿年的漫长演化过程。

尽管我国超级计算中心激增，天河二号是唯一能够完成这项任务的平台。为了更好地支持天文学的发展，超级计算在软件和硬件方面还有很长的路要走。

把宇宙放进一个“盒子”

坦率地说，这项看似极其专业的研究是用虚拟的3万亿粒子来模拟宇宙的演化。

"我们在一个虚拟的正方形盒子里放了这么多粒子来模拟宇宙的演化。"张在接受《中国科学》采访时解释道。

在计算机模拟中，在宇宙形成之初，这3万亿个虚拟粒子像松散的沙子一样分布在盒子里。随着时间的推移，这些粒子将在科学家根据天体物理学和宇宙学模型设计的重力下聚集和分散，以模拟宇宙的演化过程。这种模拟是为了尽可能多地恢复宇宙中宇宙中微子和暗物质的真实演化。

研究人员将选择几个重要的进化时期，并将模拟结果制作成动态的“大片”。

张说，用3万亿粒子进行模拟是前所未有的。美国已经达到了1.07万亿的最大粒径。

粒子数量越多，模拟的宇宙演化过程就越清晰，原本无法呈现的天体物理细节也可以模拟，这就对计算能力提出了更高的要求。

结果，数据存储成了一个大问题。“我们的模拟在一个时间节点输出大约30T的数据，并且整个模拟生成P级的数据，”张说，“我们还想在下一阶段的模拟中加入黑洞和虫洞的形成过程。数据量现在大约为100，将来可能会达到几百。到那时，数据存储将成为一个问题。”

与此同时，一年半的研究也使得计算成本高得令人望而却步。“很烧钱。尽管有超树广州中心的大力支持，从长远来看，我们仍然需要科学基金会的支持。”张对说道。

宇宙学推动超级计算发展

中国科学院超级计算中心的研究员王龙告诉记者，中国最早的计算宇宙学工作可以追溯到20世纪80年代。目前，许多计算宇宙学家都有出国留学的背景，在国内超级计算资源不太丰富的情况下，可以利用国外的超级计算进行研究。

"大多数高精度宇宙学数值模拟依赖于超级计算技术。"张对说道。

随着中国超级计算能力的提高，越来越多的计算宇宙学家开始在中国的超级计算机上进行宇宙学数值模拟。

2010年，由中国科学院紫金山天文台、中国科学院国家天文台、中国科学院上海天文台和中国科学院计算机网络信息中心建立的中国计算宇宙学联盟提出了大规模宇宙学数值模拟计划——盘古计划。同年11月，该项目完成了一项宇宙模拟实验，在一个边长为45亿光年的“盒子”中有300亿个虚拟粒子。模拟的分辨率在当时是世界上第三高的。

今天的300亿个粒子已经不足以让天文学家追踪细节。

"与其他领域相比，宇宙的数值模拟需要更高的计算存储容量."王龙告诉记者，宇宙学是超级计算发展的支柱应用之一。在国外，每次引入一台新的超级计算机，第一个部署的全尺寸应用程序通常都有宇宙演化模拟。

在需求的驱动下，超级计算也在不断努力。不久前，中国科学院曙光为中国科学院紫金山天文台专门设计了一个GPU集群，以缩短计算周期。

今天，“天河二号”可以满足我们在计算和存储两方面完成3万亿粒子的数值模拟。”张对说道。不过，他也表示，目前世界上除了天河二号之外，没有任何平台可以执行这项重要任务。

软件力量跟不上需求。

“因为自主超级计算软件的开发需要很长一段时间，中国的许多宇宙学团体将选择与外国研究机构合作使用他们的软件。”中国科学院网络信息中心研究员曹宗炎告诉记者，天文学领域最常用的软件是德国开发的数值模拟软件。

当衡量一个国家的综合超级计算实力时，软件的重要性不亚于硬件。然而，中国“主要使用外国硬件和软件”。曹宗炎说道。

曹宗炎博士于2010年毕业。为了做宇宙超级计算软件，他选择去国家天文台做博士后研究员，有计算机专业背景。

王龙告诉记者，对于那些专攻文字的人来说，软件的研发需要很长时间的投入，这必然会影响到论文产出等科研评价指标，而从事软件研发的人数也相当少。

制约宇宙学软件发展的另一个因素是时间和空间的问题。开发一套宇宙模拟通常需要数百万美元的机器时间。到目前为止，曹宗炎开发的数值模拟软件还未能在天河二号上试用。“我们需要支持。”曹宗炎说道。

王龙告诉记者，目前高估的资金更多的是投资在硬件上，而投资在软件开发上的比例明显低于国外。

此外，发展计算宇宙学的另一个挑战在于如何可视化巨大的数据。“一方面，可视化可以帮助天文学家从大量数据中发现科学现象；另一方面，它也对大众科学有很大贡献。”王龙说，可视化软件的研究也应该得到高度重视，否则，随着超级计算机的快速发展，计算生成的数据在处理上会面临更大的挑战。