計算宇宙學之天文N體計算模擬

現(xiàn)狀

宇宙學模擬是理解星系形成、暗物質(zhì)、暗能量等重大科學問題的重要手段，從計算技術方面來講，宇宙學模擬涉及的物理過程之多、動力學范圍之大、計算方法之復雜、計算規(guī)模之大，一直是反映國際高性能計算發(fā)展水平的典型代表。其中最核心的N體問題模擬及其應用先后9次獲得“戈登·貝爾”獎，這充分顯示N體問題相關算法及其應用的重要性和并行實現(xiàn)的技術難度。

日本東京大學的Ishiyama和Makino等開發(fā)了N體問題并行數(shù)值模擬軟件GreeM，并在富士通“京”超級計算機上通過各種性能優(yōu)化技術，在國際上率先實現(xiàn)了萬億粒子規(guī)模的宇宙學N體模擬。

我國在宇宙學N體問題大規(guī)模模擬方面近幾年取得重要突破。中國科學院國家天文臺計算天體物理重點實驗室和中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心合作，在國際上率先發(fā)展了基于MIC／CPU混合架構的宇宙學N體模擬軟件PhontoNs。該軟件在“Intel并行應用挑戰(zhàn)賽2014”的兩個獎項上均獲得了亞軍。

對領域應用的促進

2015年北京師范大學張同杰率領的研究團隊開發(fā)了Tian－Nu軟件，在“天河二號”上成功進行3萬億粒子數(shù)的中微子和暗物質(zhì)的宇宙學N體問題模擬，揭示了宇宙大爆炸1 600萬年后至今的137億年的演化進程。該軟件基于P2P和PM的耦合算法，模擬結果已發(fā)表在《自然－天文》（Nature Astronomy）上，獲得了國際宇宙學領域的高度關注。

發(fā)展趨勢

目前國際上成熟的宇宙學模擬軟件均基于純CPU的傳統(tǒng)超級計算機，而大型超級計算機的主流發(fā)展方向是深度異構。在異構計算環(huán)境下對超大規(guī)模粒子體系進行快速模擬需要研究如何提高算法的并行可擴展性，尤其需要解決動態(tài)模擬過程中粒子分布不均時的負載均衡問題。另外，還需要研究眾核異構平臺上的性能優(yōu)化技術、分布式八叉樹周游的計算與通信重疊技術、三維FFT大規(guī)模可擴展性并行劃分與通信。中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心正在與中國科學院國家天文臺合作，針對國產(chǎn)超級計算機，通過并行異構算法設計以及代碼優(yōu)化，研發(fā)能夠滿足宇宙學超大規(guī)模數(shù)值模擬需求的引力場N體模擬軟件。基于國產(chǎn)計算系統(tǒng)的天文N體計算模擬軟件將實施千億量級及以上規(guī)模的高效率宇宙學模擬，為國際大型星系巡天、暗物質(zhì)、暗能量大型探測計劃，以及我國重大科學工程500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）和空間站巡天望遠鏡等大科學裝置提供必要的數(shù)值模擬支撐。