近日，中國科學(xué)家依托“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，“拍”出了一部史上最細(xì)致的“宇宙大片”，呈現(xiàn)了137億年的宇宙成長史。不過，讓他們憂心的是——

“搭檔”宇宙學(xué)：超算還太“嫩”

137億年里，宇宙是怎么變成現(xiàn)在這樣的？

這是人類一直在探索的科學(xué)和哲學(xué)問題。如今，科學(xué)家用高性能計(jì)算機(jī)，基于數(shù)值模擬技術(shù)“拍”出了一部史上最細(xì)致的“宇宙大片”，呈現(xiàn)了這一漫長的宇宙成長史。

近日，國家超算廣州中心透露，北京師范大學(xué)天文學(xué)系教授張同杰領(lǐng)銜的宇宙中微子數(shù)值模擬團(tuán)隊(duì)，依托“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，成功完成了3萬億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進(jìn)程。

盡管我國超算中心蜂擁而起，但“天河二號(hào)”是唯一能完成這項(xiàng)任務(wù)的平臺(tái)，超算要想更好地支撐天文發(fā)展，無論是軟件還是硬件，都有很長的路要走。

把宇宙裝進(jìn)“盒子”

這個(gè)看似極其專業(yè)的研究，說白了就是用虛擬的3萬億顆粒子模擬宇宙演化的過程。

“我們把這么多粒子放在一個(gè)虛擬的方盒子里，模擬宇宙的演化。”張同杰在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)解釋。

在計(jì)算機(jī)模擬中，宇宙形成初期，這3萬億虛擬粒子就像散沙一樣分布在盒子中。隨著時(shí)間推移，科學(xué)家根據(jù)天體物理與宇宙學(xué)模型設(shè)計(jì)好的引力作用下，這些粒子會(huì)相互聚合、分散，模擬宇宙的演化過程。此次模擬正是要盡可能還原宇宙中微子和暗物質(zhì)在宇宙中的真實(shí)演化情況。

研究人員會(huì)選幾個(gè)重要的演化時(shí)間段，將模擬結(jié)果做成動(dòng)態(tài)“大片”。

張同杰說，用3萬億粒子做模擬是史無前例的。美國最大做到了1.07萬億粒子數(shù)的規(guī)模。

粒子數(shù)越大，模擬出的宇宙演化過程也就越清晰，可以把原來無法呈現(xiàn)的天體物理細(xì)節(jié)模擬出來，而這對(duì)計(jì)算能力提出了更高的要求。

于是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成了大問題。“我們的模擬在一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上輸出的數(shù)據(jù)就有約30T，整個(gè)模擬做下來產(chǎn)生了P量級(jí)的數(shù)據(jù)量。”張同杰說，“下一階段我們還想把黑洞和蟲洞的形成過程加進(jìn)模擬中去，現(xiàn)在是P量級(jí)的數(shù)據(jù)量，將來可能會(huì)達(dá)到幾百P，到時(shí)候數(shù)據(jù)存放都會(huì)成為問題。”

同時(shí)，長達(dá)一年半的研究，也使計(jì)算費(fèi)高得難以承受。“很燒錢。盡管超算廣州中心給予了大力支持，但是長遠(yuǎn)而言, 我們還是需要科學(xué)基金的支持?！睆埻苷f。

宇宙學(xué)鞭策超算發(fā)展

中科院超算中心研究員王龍告訴記者，國內(nèi)的計(jì)算宇宙學(xué)工作最早可追溯到上世紀(jì)80年代，目前的計(jì)算宇宙學(xué)專家很多有海外留學(xué)背景，能在國內(nèi)超算資源不甚豐富的情況下用國外超算開展研究。

“大多數(shù)高精度宇宙學(xué)數(shù)值模擬，都依賴超算技術(shù)?！睆埻苷f。

隨著國內(nèi)超算能力的提升，越來越多的計(jì)算宇宙學(xué)學(xué)者開始在國內(nèi)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上開展宇宙學(xué)數(shù)值模擬。

2010年，中科院紫金山天文臺(tái)、中科院國家天文臺(tái)、中科院上海天文臺(tái)和中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心成立的中國計(jì)算宇宙學(xué)聯(lián)盟，提出了一項(xiàng)大型宇宙學(xué)數(shù)值模擬計(jì)劃——“盤古計(jì)劃”。當(dāng)年11月，這項(xiàng)計(jì)劃用300億虛擬粒子在邊長為45億光年的“盒子”里完成宇宙模擬實(shí)驗(yàn)，這一模擬的分辨率在當(dāng)時(shí)居世界第三。

如今300億的粒子數(shù)，早已不能滿足天文科學(xué)家對(duì)細(xì)節(jié)的追求。

“與其他領(lǐng)域相比，宇宙數(shù)值模擬對(duì)運(yùn)算存儲(chǔ)能力的要求更高。”王龍告訴記者，宇宙學(xué)是超算發(fā)展的支柱性應(yīng)用之一。在國外，每次推出新的超級(jí)計(jì)算機(jī)，率先部署的全機(jī)應(yīng)用往往都有宇宙演化模擬。

在需求的推動(dòng)下，超算也在不斷努力。前不久，中科曙光就專門為中科院紫金山天文臺(tái)設(shè)計(jì)了GPU集群，以縮短計(jì)算運(yùn)行周期。

如今，“‘天河二號(hào)’在運(yùn)算和存儲(chǔ)上都能夠滿足我們完成3萬億粒子數(shù)的數(shù)值模擬?！睆埻苷f。但他也表示，除“天河二號(hào)”外，目前世界上難有平臺(tái)可擔(dān)此重任。

軟件實(shí)力跟不上需求

“因?yàn)榘l(fā)展自主超算軟件需要較長的周期，國內(nèi)很多宇宙學(xué)團(tuán)組會(huì)選擇與國外的研究機(jī)構(gòu)合作，使用他們的軟件?！敝锌圃壕W(wǎng)絡(luò)信息中心研究人員曹宗雁告訴記者，目前天文領(lǐng)域最普遍使用的軟件是德國開發(fā)的數(shù)值模擬軟件。

在衡量一個(gè)國家的超級(jí)計(jì)算綜合實(shí)力時(shí)，軟件的重要性絲毫不亞于硬件。但我國“無論是硬件還是軟件，用的大都是國外的”。曹宗雁說。

2010年，曹宗雁博士畢業(yè)。為了做宇宙學(xué)超算軟件，計(jì)算機(jī)專業(yè)出身的他選擇去國家天文臺(tái)做博士后。

王龍告訴記者，對(duì)于天文本專業(yè)的人而言，由于研發(fā)軟件需要較長的時(shí)間投入，必然影響論文產(chǎn)出等科研評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展軟件研發(fā)的人也相當(dāng)少。

另一制約宇宙學(xué)軟件發(fā)展的因素是機(jī)時(shí)費(fèi)問題。開展一組宇宙學(xué)模擬往往需要百萬元級(jí)的機(jī)時(shí)費(fèi)，時(shí)至今日，曹宗雁研發(fā)的一款數(shù)值模擬軟件仍沒能去“天河二號(hào)”上一試身手?！拔覀冃枰С??！辈茏谘阏f。

王龍告訴記者，目前的超算經(jīng)費(fèi)更多被投入到硬件上，軟件開發(fā)的經(jīng)費(fèi)投入比例與國外相比明顯偏低。

此外，發(fā)展計(jì)算宇宙學(xué)另一個(gè)挑戰(zhàn)在于如何對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理?！翱梢暬环矫婵梢詭椭煳膶W(xué)家從浩繁的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，另一方面對(duì)科普的貢獻(xiàn)也很大?！蓖觚堈f，可視化軟件研究也應(yīng)得到高度重視，否則隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在處理時(shí)將面臨更大挑戰(zhàn)。（倪思潔）