超大型宇宙模拟系统即将启动，助力揭开暗能量和暗物质的奥秘！

楚一帆

今年秋天，Mira上将运行一个超大型的宇宙模拟系统，这是迄今为止所进行的五个最广泛模拟系统之一，它展示了美国能源部阿贡国家实验室(DOE's)巨型计算机所处理问题的范围。阿贡的物理学家和计算科学家卡特琳·海特曼(Katrin Heitmann)领导了这个项目。早在2013年IBM Blue Gene/Q系统在美国能源部下属的科学用户设施ALCF上线时，海特曼是首批利用Mira能力的人之一。在当时进行的最大宇宙学模拟中，海特曼和同事进行外部环模拟使多年来的进一步科学研究成为可能。

在这项新研究中，Heitmann已经分配了大约8亿小时的核心时间来进行模拟，该模拟反映了卫星和望远镜的前沿观测进展，并将成为许多研究使用宇宙地图的基础。通过对大量粒子的演化，模拟目的是帮助解决暗能量和暗物质的奥秘。通过将这个模拟转换成一个人造的宇宙，可以很好地模拟不同波长的观测数据，这项研究可以使整个研究领域的大量科学项目成为可能。但也给我们带来了一个巨大的挑战，也就是说，为了生成跨越不同波长的模拟宇宙。

研究团队必须提取相关信息，并在模拟中或模拟后处理进行分析。后处理需要存储大量的数据——事实上，如此之多，以至于仅仅读取数据就变得非常昂贵。自从Mira运行以来，海特曼和研究团队已经在硬件/混合加速宇宙学代码(HACC)中实现了更复杂的分析工具，用于实时处理。此外，与外部环模拟相比，实现了三个主要改进，首先，宇宙学模型已经更新，这样就可以用最好的观测输入进行模拟。其次，由于目标是实现全机运行，因此体积将会增加，从而获得更好的统计数据。

最重要的是，还建立了几个新的分析程序，这将能使我们为广泛的研究生成模拟宇宙，从而研究广泛的科学问题。该团队模拟将解决宇宙学中的许多基本问题，对于改进现有的预测工具和帮助开发新模型至关重要，这将影响正在进行和即将进行的宇宙学研究，包括暗能量光谱仪(DESI)、大型天气观测望远镜(LSST)、SPHEREx和“第四阶段”地面宇宙微波背景实验(CMB-S4)。模拟价值在于其巨大的体积（这对于覆盖大部分测量区域是必要的），以及获得足够的质量和力分辨率来捕捉微弱星系的小结构。

体积和分辨率对计算有很高的要求，由于不容易满足，很少进行大规模的宇宙学模拟。造成执行困难的原因之一是，自从Mira引入以来，超级计算机的内存占用并没有随着处理速度成比例地提高。这使得该系统，尽管它的相对年龄，相当适合大规模运动时充分利用。ALCF科学主任Katherine Riley表示：对这个规模的计算只是一瞥，看看现在发展中的百亿亿美元资源在2021/2022年会达到什么程度，研究团体将在很长一段时间内利用这项工作。