Een extreem grote kosmologische simulatie - een van de vijf meest uitgebreide ooit uitgevoerd - zal dit najaar op Mira worden uitgevoerd en illustreert de reikwijdte van de problemen die worden aangepakt op de supercomputer van leiderschapsklasse in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Argonne natuurkundige en computationele wetenschapper Katrin Heitmann leidt het project. Heitmann was een van de eersten die gebruikmaakte van Mira's capaciteiten toen, in 2013, het IBM Blue Gene/Q-systeem ging online bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Een van de grootste kosmologische simulaties die ooit zijn uitgevoerd, de Outer Rim Simulation die zij en haar collega's uitvoerden, maakte jarenlang verder wetenschappelijk onderzoek mogelijk.

Voor de nieuwe poging Heitmann heeft ongeveer 800 miljoen kernuren toegewezen gekregen om een ​​simulatie uit te voeren die de allernieuwste waarnemingen van satellieten en telescopen weerspiegelt en die de basis zal vormen voor luchtkaarten die door tal van onderzoeken worden gebruikt. Evolueren van een enorm aantal deeltjes, de simulatie is ontworpen om mysteries van donkere energie en donkere materie op te lossen.

"Door deze simulatie om te zetten in een synthetische lucht die observatiegegevens op verschillende golflengten nauw nabootst, dit werk kan een groot aantal wetenschappelijke projecten in de onderzoeksgemeenschap mogelijk maken, "Zei Heitmann. "Maar het stelt ons voor een grote uitdaging." Dat wil zeggen, om synthetische luchten over verschillende golflengten te genereren, het team moet relevante informatie extraheren en analyses uitvoeren, hetzij on-the-fly, hetzij achteraf in de nabewerking. Nabewerking vereist de opslag van enorme hoeveelheden gegevens - zo veel, in feite, dat alleen het lezen van de gegevens extreem rekenkundig duur wordt.

Sinds Mira werd gelanceerd, Heitmann en haar team hebben in hun Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) meer geavanceerde analysetools geïmplementeerd voor on-the-fly verwerking. "Bovendien, vergeleken met de Outer Rim Simulation, we hebben drie belangrijke verbeteringen doorgevoerd, "zei ze. "Eerst, ons kosmologische model is bijgewerkt, zodat we een simulatie kunnen uitvoeren met de best mogelijke observatie-input. Tweede, aangezien we streven naar een volledige machinerun, het volume wordt verhoogd, leidt tot betere statistieken. Het belangrijkste is, we hebben verschillende nieuwe analyseroutines opgezet waarmee we synthetische luchten kunnen genereren voor een breed scala aan onderzoeken, ons op zijn beurt in staat stelt een breed scala aan wetenschappelijke problemen te bestuderen."

De simulatie van het team zal tal van fundamentele vragen in de kosmologie behandelen en is essentieel om de bestaande voorspellende hulpmiddelen te verfijnen en de ontwikkeling van nieuwe modellen te ondersteunen. gevolgen hebben voor zowel lopende als toekomstige kosmologische onderzoeken, inclusief het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), de Grote Synoptische Onderzoekstelescoop (LSST), SPHEREx, en het "Stage-4" op de grond gebaseerde kosmische microgolfachtergrondexperiment (CMB-S4). De waarde van de simulatie vloeit voort uit het enorme volume (dat nodig is om substantiële delen van onderzoeksgebieden te bestrijken) en uit het bereiken van niveaus van massa- en krachtresolutie die voldoende zijn om de kleine structuren vast te leggen die zwakke sterrenstelsels herbergen.

Het volume en de resolutie stellen hoge rekeneisen, en omdat ze niet gemakkelijk worden ontmoet, er worden weinig grootschalige kosmologische simulaties uitgevoerd. Bijdragen aan de moeilijkheid van hun uitvoering is het feit dat de geheugenvoetafdruk van supercomputers in de jaren sinds de introductie van Mira niet evenredig is verbeterd met de verwerkingssnelheid. Dit maakt dat systeem, ondanks zijn relatieve leeftijd, vrij optimaal voor een grootschalige campagne wanneer deze volledig wordt benut.

"Een berekening van deze schaal is slechts een glimp van wat de exascale-bronnen die nu in ontwikkeling zijn, in 2021/22 zullen kunnen, " zei Katherine Riley, ALCF-directeur van de wetenschap. "De onderzoeksgemeenschap zal nog heel lang profiteren van dit werk."