Voor de eerste keer, een krachtige computer zal het mogelijk maken om zwaartekrachtsgolven te simuleren, magnetische velden en neutrinofysica van neutronensterren tegelijkertijd.

De afdeling Computational Relativistic Astrophysics van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) in Potsdam heeft onlangs een 11, 600 CPU-kerncomputercluster. Het nieuwe high-performance cluster genaamd Sakura bevindt zich in de Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) in Garching en zal worden gebruikt voor numeriek-relativistische simulaties van krachtige astrofysische gebeurtenissen. Wanneer neutronensterren worden geboren in supernovae die instorten of eonen later met elkaar versmelten, enorme hoeveelheden elektromagnetische golven, neutrino's, en zwaartekrachtgolven worden uitgezonden. De onderliggende astrofysische processen worden niet goed begrepen en vereisen het oplossen van zeer complexe, niet-lineair, partiële differentiaalvergelijkingen. Met Sakura, de wetenschappers zullen fysiek nauwkeurige simulaties met hoge resolutie uitvoeren om ons begrip van het fusieproces van binaire neutronensterren en de vorming van zwarte gaten aanzienlijk te verbeteren.

De afdeling Computational Relativistic Astrophysics van het AEI richt zich op numeriek-relativistische simulaties van astrofysische gebeurtenissen die zowel zwaartekrachtsgolven als elektromagnetische straling genereren door Einsteins vergelijkingen en materievergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie op te lossen op krachtige computers. Deze simulaties spelen een cruciale rol bij het voorspellen van nauwkeurige zwaartekrachtgolfvormen voor het zoeken in de detectorgegevens en voor het verkennen van heldere hoogenergetische verschijnselen zoals gammastraaluitbarstingen en kilonovae. Door krachtigere computers te gebruiken, de wetenschappers kunnen rekening houden met meer gecompliceerde fysica die nodig is om de astrofysische verschijnselen te begrijpen. Een van de ambitieuze doelen van de wetenschappers is om een ​​fysiek nauwkeurige simulatie met hoge resolutie uit te voeren om te begrijpen hoe binaire neutronensterren samensmelten.

"High-performance computerclusters zijn onze virtuele laboratoria, " zegt Masaru Shibata, directeur van de afdeling Computational Relativistic Astrophysics. "We kunnen geen neutronensterren maken in een laboratorium, laat ze samensmelten en monitor wat er gebeurt. Maar we kunnen voorspellen wat er zal gebeuren tijdens de samensmelting van twee neutronensterren door alle belangrijke processen in aanmerking te nemen en de bijbehorende vergelijkingen die hun gedrag beschrijven nauwkeurig op te lossen. Deze berekeningen vereisen een enorme hoeveelheid rekenkracht en duren vaak enkele maanden, zelfs op zeer grote computers. Met Sakura hebben we nu 11, 600 CPU-kernen met 0, 9 petaFLOP/s voor deze numerieke simulaties tot onze beschikking."

Bij eerdere berekeningen de wetenschappers waren niet in staat om zowel de effecten van magnetische velden als de neutrinofysica in één simulatie in aanmerking te nemen. Masaru Shibata legt uit:"Behalve het feit dat de code nog in ontwikkeling is, de computationele middelen spelen een cruciale rol. Met de nieuwe grote computer, we denken dat het mogelijk is om een ​​simulatie uit te voeren waarbij magnetische velden en neutrinofysica samen in aanmerking worden genomen en een volledig beeld te krijgen van de fusiefysica van neutronensterren."

Naast het nieuwe krachtige computercluster Sakura ("kersenbloesem" in het Japans) in Garching, de divisie heeft twee kleinere computerservers bij de AEI in Potsdam:"Yamazaki" (het Japanse woord voor "bergen") en "Tani" (wat in het Japans "vallei" betekent). "We voeren kleine taken uit op kleine computers, ", legt Masaru Shibata uit. "We gebruiken onze eigen computerkracht voor het ontwikkelen van de rekencodes en voor testruns." De lokale infrastructuur is ook nodig voor data-analyse van de simulaties die worden uitgevoerd in het Garching rekencentrum.

Technische specificaties

Sakura in Garching maakt deel uit van de MPCDF Computing Center-infrastructuur en is geïntegreerd in een snel Omnipath-100-netwerk en 10Gb Ethernet-verbindingen. Het bestaat uit hoofdknooppunten met Intel Xeon Silver 10-coreprocessors en 192 GB tot 384 GB hoofdgeheugen, evenals rekenknooppunten met Intel Xeon Gold 6148-CPU's.

De Yamazaki-computerservers in Potsdam zijn 13 zelfstandige nodes met Intel Xeon Gold QuadCore-processors (18 cores per processor, 4 processors per server) en 192 tot 256 GB hoofdgeheugen.

Voor het opbergen, het werken en analyseren van kleinere delen van de enorme simulatie-output van het Garching-cluster (60 Terabyte elke 3 maanden) een opslag van 500 TB genaamd Tani (2 JBODS met 60 schijven, elke 10 TB in een Raid-1-redundantie) wordt gebruikt bij de AEI in Potsdam.