北师大张同杰:用“天河二号”超级计算机研究宇宙学

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-23

我们可以使用超级计算机来仰望星空。

  2017年6月5日出版的《自然·天文学》杂志上,刊登了通讯作者为北京师范大学天文系教授张同杰的高水平学术论文。这是北师大天文系成立以来作为第一单位发表在《自然》子刊的第一篇研究论文。该论文的主题是用中国的超级计算机“天河二号”进行宇宙学的数值模拟研究。这也是“天河二号”超级计算机建立以来发表的通讯作者和第一作者都是中国人的、杂志影响因子最高的学术论文。

  为此,蝌蚪五线谱独家专访了北京师范大学天文系的张同杰教授。

  “天河二号”超级计算机

  2013年底,国防科技大学研制成功的“天河二号”计算机在国家超级计算广州中心投入运行。“天河二号”超级计算机是目前世界上最快的计算机之一,具有5.49亿亿次/秒的峰值浮点运算速度、1.4P的内存、12.4P的硬盘存储和16000个节点(超过300万个Intel计算核)的高性能,曾经连续6次登上国际TOP500组织公布的最新全球超级计算机500强排行榜榜首。该超级计算机可以轻易地用穷举法在1秒内破解到我们的银行卡密码,它的硬盘能够放下6000亿册10万字的图书,因此其耗电也是相当惊人,天河2号每年所产生的电费就接近1亿人民币。

  张同杰说:“我们这个研究是在天河二号刚开始运行的时候就开始做的,这个项目主要是在天河二号上模拟了整个宇宙的演化历程,探讨了有质量中微子的宇宙学性质。”

111

张同杰教授与“天河二号”超级计算机

  中微子的宇宙学意义

  在宇宙的整个演化过程中,中微子的参与有举足轻重的贡献。而中微子是在宇宙大爆炸之后约一秒钟后与其他宇宙学成分脱离关系,宇宙学术语叫做“中微子发生退耦”。退耦后的中微子形成宇宙的背景,成为宇宙演化的参与者和见证者。

  张同杰告诉蝌蚪五线谱,中微子是自然界中的基本粒子之一。目前的物理实验和天文观测都无法精确测量单个中微子的质量。但因为中微子是有质量的,所以它有引力效应,也会影响宇宙的演化。

  由宇宙学的原初核合成理论可以推测,中微子分为三代。而且,据此也可以限制出三代中微子的质量之和。中微子在宇宙学的能量动量张量中表现为一种非各向同性的粘滞项。这是一个由于引力产生的粘滞效应。

  张同杰教授告诉蝌蚪五线谱,中微子在星系结构形成中的作用是可以压低小尺度上的功率谱。通过这个,可以测出中微子的总质量,但是无法测量单个中微子的质量。 

  如何做模拟计算

  2015年,张同杰研究团队启用了“天河二号”全系统中的1万4千个结点,共计运算50多个小时,成功地运行了含有中微子和暗物质的3万亿粒子数的宇宙学数值模拟。在这个模拟中,研究团队使用了单个中微子的质量下限0.05eV。

  张同杰告诉蝌蚪五线谱,在模拟计算中,他们取了1.2Gpc/h边长的立方体来代表宇宙的一部分,然后使用周期性边界条件(把这个正方体的上下左右前后都设置相同的边界条件)。在这样一个巨大的方盒子里,把中微子当作是非相对论性的粒子,然后考虑它们之间的引力相互作用就可以正式模拟宇宙的演化了。

  张同杰告诉蝌蚪五线谱,在他们的模拟中,代表中微子的粒子的质量和暗物质粒子的质量是根据科学研究的需要人为设定的。因为是计算机数值模拟,很多参数只能是人为去设定,模拟本身不能给出这些质量参数。

  “我们就是利用引力作用下的N体问题, 再加上表示膨胀的背景宇宙的演化, 来模拟计算中微子与暗物质之间的引力相互作用。”张同杰说。

  有趣的事情

  张同杰告诉蝌蚪五线谱,在这个研究工作中最有趣的事情是他们发现了中微子在宇宙结构形成中的凝聚效应。 中微子质量可以通过宇宙中含有不同中微子丰度的区域中星系的特性来测量。相对于“贫”中微子区域,在“富”中微子区域,更多的中微子被大质量暗物质结构俘获。这种凝聚效应导致暗物质结构的质量函数的改变,最终导致星系的特性发生变化,为宇宙学观测开辟了一条独立测量中微子质量的道路。这个是别人都没有提出来过的新概念。

  张同杰认为,本次超级计算机的模拟结论可以在将来与天文望远镜巡天观测的数据进行比对,校对天文巡天对中微子质量的限制。

  困难的事情

  本次模拟计算在“天河二号”运行了50多个小时,用了5000万核时。整个研究过程刚开始的时候是在2015年,那时候天河二号刚刚投入运行不长时间,是一台新机器,张同杰说:“这就好像一辆高铁, 它刚刚投入使用,它要开着空车跑,需要磨合一段时间才能适应复杂的路况与天气情况。”

  对张同杰研究团队来说,这个磨合就是程序与超级计算机之间的磨合,以及超级计算机计算结点之间的通讯磨合。一开始在模拟计算的时候,计算结点经常断掉,结点与结点之间的通讯存在问题。计算过程中几百个结点掉下来,程序就停了。

        程序停了以后,就需要来解决这些问题。经过超算工程人员和研究人员的一起努力,最后14000个计算结点(天河二号总的计算结点是16000个,这次模拟相当于动用了90%的计算资源)连续运行了10个小时以后,整个计算状态良好,张同杰研究团队与天河二号工程人员都觉得非常振奋。

  除了上面说的计算过程中遇到的困难,另外一个困难则是经费问题(比如,超级计算机的使用需要花费大量的电费)。这个项目首先得到了国家自然科学基金委的支持,此后北京师范大学自主科研基金和北师大天文系的学科建设经费也给予了极大的支持,以及后来的广东省与国家自然科学基金委联合基金也给了很多支持。但总体来说,如果要扩大计算规模,模拟更多的粒子,张同杰觉得在计算经费上还是有点“捉襟见肘”。

  张同杰教授向蝌蚪五线谱表示,目前我们国家建成了一些超级计算机,除了“天河二号”,还有“神威·太湖之光”等。他希望他们的宇宙学模拟计算工作能够让大家意识我们国家超级计算机在世界上占据优势。我们国家的超级计算机在国际上领先的时间窗口已经打开,机不可失,时不再来,需利用这段时间做出有价值的科学研究。同时他希望能有更多的人关注宇宙学模拟这一新兴领域,对宇宙了解的越深入,我们人类的视野也会越开阔。总得说来,现在是一个可以使用超级计算机来仰望星空的新时代。

  本篇采写    蝌蚪五线谱   张轩中

(延伸阅读:关于天河二号超级计算机相关视频请点击

扫码加蝌蚪五线谱微信