超級計算機開展史上最大最複雜宇宙模擬

在位於橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的超級計算機“前沿”（Frontier）進行了一次規模空前的宇宙模擬之後，我們對宇宙的理解有了巨大的飛躍。

“前沿”使用了一個名爲硬件/混合加速宇宙學代碼（HACC）的軟件平臺，這是美國能源部支持的最大的軟件研發計劃——美國能源部（DOE）18億美元的百億億級計算項目的一部分。

在“百億億級天空”項目下，要求科學應用程序的運行速度比之前的基準快50倍，但“前沿”和HACC很快就超出了預期——其運行速度比類似的土衛六（Saturn's moon Titan）模擬快近300倍。自首次模擬以來，美國能源部與HACC團隊花了七年時間來提高像“前沿”這樣的百億億級超級計算機的性能。

這使得流體動力學宇宙學模擬實驗成爲可能，這是一種對計算能力要求高得多的計算機模型，包含像宇宙膨脹、暗物質影響這樣的原理。之前的模型只包含對引力、氣體或者等離子體的考量。

該模擬於2024年11月進行，使用了大約9000個Frontier（前沿）的計算節點，所有節點都配備了AMD Instinct MI250X顯卡。

前沿（Frontier）是速度位居世界第二的超級計算機，其運算能力可達1.4艾FLOPS，也就是每秒能進行1.4×10¹⁸次浮點運算。超級計算機的性能以每秒浮點運算次數（FLOPS）來衡量——一次浮點運算是一種數學計算。

任何能夠達到超過999拍次浮點運算（0.9艾次浮點運算）的計算機都被稱爲“百億億級”超級計算機。唯一比“前沿”（Frontier）更強大的計算機是酋長巖（El Capitan），它的運算能力可達到1.7艾次浮點運算。

除了模擬宇宙之外，“前沿”還被用於其他重要的研究。2023年4月，科學家構建了簡單雲解析E3SM大氣模型（SCREAM）——一個程序，它將一整年的全球氣候數據模擬到3千米多一點的分辨率。這是有史以來計算出的最複雜的氣候模型之一，現在它是分析大氣、海洋和陸地之間複雜相互作用以改進天氣預報並收集關於氣候變化的更高保真度數據的基石。

在材料方面，前沿（Frontier）讓設計師構思出用於性能增強型物質的新基底和幾何形狀，讓它們變得更堅固、更輕便且耐腐蝕。其百億億次計算能力讓研究人員能夠在分子尺度上對化學相互作用進行建模，從而預測材料的性能。這臺超級計算機在尋找用於儲能、運輸、製造和核醫學的新材料方面也起到了關鍵作用。

然而，科學家們對百億億次計算如何爲人工智能（AI）提供超強動力感到尤爲興奮。這些機器的速度讓程序員能夠快速迭代算法並分析大型數據集，特別是在諸如構建更快的大型語言模型，或者將超級計算機應用於氣候模型和氣候變化預測等任務中。