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2022 09/ 29 10:07:37
来源:四川日报

和超算中心合作模拟完成2000万粒子碰撞 让他们更清楚地探索星空

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  9月27日,成都理工大学行星科学中心办公室,周游副教授的电脑显示屏上,两个球体经过碰撞、融合、分裂后,再重新逐步形成两个新的球体。周游说,每次看到这个过程都很感慨,宇宙万物似乎都遵从着一些基本规律,从毁坏到重生,先“破”后“立”。

  这个看似简单的过程却并不简单——碰撞的过程,由2000万个粒子模拟构成。

  提升分辨率靠算力,3个月模拟完成2000万粒子碰撞

  这是一场月球形成过程的数字化模拟。业界对月球形成的一个主流说法是:约46亿年前,一颗与火星大小类似的星体,与地球发生碰撞,碰撞形成的大量熔岩碎片飘散在地球轨道之内,经过长时间聚集,逐步形成了我们看到的月亮。

  周游所研究的,就是通过数字化手段去还原这个推断,但这并不是一件容易的事。早在2001年,国外就有科研工作者对这个假说进行了探索,但受制于当时的算力水平,整个模拟过程只使用了6万粒子。

  “碰撞过程中产生的各种尘埃、碎片远不止这个数,当时的模拟只能看个‘大概’,而且这个‘大概’还很粗糙。”如何才能看得更精细准确?提升模拟过程中的粒子数是关键。“这个数量就像是图片的分辨率,粒子数越多,分辨率越高,我们才能看得更清楚,模拟得更精确。”周游说。

  提升“分辨率”是一件极难的事。“每增加一个粒子,它自身的热量、大小及状态等情况,都会对其自身及周边其他粒子造成不同影响。这相当于形成了多个变量元素,对算力增加了更多负担。”这意味着,粒子数的增多,对算力要求将呈指数级增长。

  “如果将粒子数提升到百万级,用现在最先进的工作站模拟一次碰撞过程,时间需要以年为单位计算。”而在周游最新的碰撞模拟中“搞”了一件大事情——把粒子数提升到了2000万。

  这个看似不可能的算力任务,仅耗时3个月就完成了。距周游办公室40公里外的兴隆湖畔,成都超算中心主体机房内,800个算力核心为他完成了这次计算服务,而这只动用了超算中心极小一部分算力。

  突破瓶颈靠软件,希望在成都更好地探索星空

  不仅是月球形成的模拟,周游还有多个星体运动的项目都在超算中心进行模型推拟。

  周游介绍,这些项目在软件和硬件适配的过程中,成都理工大学的团队与超算中心的工程师们面对面调整了数十次。“很难想象,如果没有这样强大的一个算力体,我们的工作进展将受到怎样的制约。”

  当下,周游需要突破的关键瓶颈是天体运动模拟的软件。“2000万个粒子数能不能再突破,限制不在硬件而在软件上。”对目前使用的软件来说,2000万粒子体量已是其承载极限。

  即便到了2000万,每个粒子的大小仍还有细化空间。“尤其是体积更容易膨胀的气体,需要更高的分辨率才能防止它们的数据丢失。”

  周游说,在行星科学研究领域,国外的模拟软件体系要相对成熟。“如果把超算中心比作高速公路,软件跟不上,就如同在高速公路上开拖拉机,速度还是提不起来。”而行星科学领域一套成熟的软件,往往需要5到6年的迭代才能逐步成型,这是一个比基础科学还“冷”的“冷板凳”。

  和超算中心的合作,也让周游团队的这套软件得到了升级。一开始,软件承载量不能达到2000万,目前的承载量是跟对方工程师一起多次优化后的结果。

  “要想在这个领域走在全球前列,就必须补齐软件这个短板。成都在这方面优势明显,希望能和合作伙伴联手解决这个难题,一起更清楚地探索星空。”周游说。(记者 唐泽文)

【纠错】 【责任编辑:李婷玉 】
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