XSEDEECSS计划有助于探测空间异常

时间:2018-05-15

宇宙码模拟广泛的天体物理现象。此处显示的是一个活动银河核(AGN)喷气撞击并触发星际气云中恒星形成的多物理场模拟。红色表示喷射材料,蓝色是中性氢气,而绿色是冷的,分子氢气。 (克里斯Fragile)

黑洞造就了一个伟大的空间神秘。它们非常庞大,一旦光线足够接近,任何东西,甚至是光线都无法从黑洞中逃脱。对于科学家来说,一个很大的谜就是有证据表明强大的电子和质子射流从一些黑洞的顶部和底部射出。然而没有人知道这些喷气机是如何形成的。

称为Cosmos的计算机代码现在推动了黑洞喷气机的超级计算机模拟,并开始揭示黑洞和其他空间怪异的奥秘。

“宇宙,这个名字的根源来自代码最初是为了做宇宙论而设计的。它变成了一个广泛的天体物理学,“查尔斯顿大学物理与天文系教授克里斯弗拉格勒解释道。 Fragile于2005年在Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)担任博士后研究员时,与Steven Murray(LLNL)和Peter Anninos(LLNL)一起帮助开发了Cosmos代码。

脆弱指出宇宙为天体物理学家提供了一个优势,因为它一直处于广义相对论磁流体动力学(MHD)的前沿。 MHD模拟,黑洞射流等导电流体的磁性增加了一层理解力,但即使是最快的超级计算机也是非常困难的。

“另一方面,宇宙一直有一些优势,因为它有很多物理包,”Fragile继续说道。 “这是Peter Anninos最初的动机,因为他想要一个计算工具,他可以把他多年来一直工作的所有东西都放进去。”Fragile列出了一些包括化学,核燃烧,牛顿引力,相对论引力,甚至辐射和辐射冷却。 “这是一个相当独特的组合,”Fragile说。

代码的当前迭代是CosmosDG,它使用不连续的Gelarkin方法。 “你把你想要模拟的物理域,”Fragile解释说,“然后你把它分解成一堆小小的计算单元或区域。您基本上是在解决每个区域的流体动力学方程。“根据2017年8月发表在”天体物理学杂志“上的结果,CosmosDG允许比以前更高的精度。

“我们能够证明我们在相同数量的计算区域内实现了更精确的解决方案,”Fragile说。 “因此,特别是在需要非常精确的解决方案的情况下,CosmosDG可能是一种以比以前的方法更少的计算费用获得这种方法的方法。”

XSEDE ECSS帮助宇宙开发

自2008年以来,德克萨斯州高级计算中心(TACC)为开发Cosmos代码提供了计算资源 - Ranger系统上的大约650万个超级计算机核心小时以及Stampede系统上的360万个核心小时。由美国国家科学基金会资助的极限科学与工程发现环境XSEDE向Fragile的小组授予了这项分配。

“我不能称赞XSEDE资源有多么有意义,”Fragile说。 “没有这样的资源,我所做的科学就不可能实现。这是一个资源规模,肯定是像我这样的小机构永远不能支持的。事实上,我们拥有这些国家级的资源,使得大量的科学无法完成。“

事实上,繁忙的科学家有时可以用手代码。除了访问,XSEDE还通过扩展协作支持服务(ECSS)努力提供了一批专家,帮助研究人员充分利用一些世界上最强大的超级计算机。

Fragile最近获得了XSEDE ECSS的帮助,优化了Stampede2的CosmosDG代码,这是一款超级计算机,性能达到18 petaflops,是德克萨斯大学奥斯汀分校TACC的旗舰产品。 Stampede2拥有4,200 Knights Landing(KNL)节点和1,736个Intel Xeon Skylake节点。

利用骑士登陆和踩踏2

根据TACC的研究助理Damon McDougall以及UT奥斯汀计算工程与科学研究所的研究人员,该KNL的manycore体系结构为试图获得最佳计算性能的研究人员带来了新的挑战。每个Stampede2 KNL节点有68个内核,每个内核有四个硬件线程。这是很多移动的部分来协调。

“这是一个电脑芯片,与其他芯片可能与其他系统进行交互的芯片相比,具有很多内核。”麦克杜格尔解释说。 “需要更多的关注软件设计,以便在这些类型的芯片上有效运行。”

通过ECSS,McDougall帮助Fragile优化了CosmosDG for Stampede2。 “我们提倡某种类型的并行,称为混合并行,可以混合消息传递接口(MPI)协议,这是一种在计算节点之间传递消息的方式,OpenMP是一种在单个计算节点上进行通信的方式,“麦克杜格尔说。 “混合这两种并行模式是我们鼓励这些类型的体系结构的东西。这是我们可以帮助科学家通过ECSS计划实施Stampede2的建议。“

时间序列图像显示了银河系中心超大质量黑洞(Sgr A *)对气体云(G2)的潮汐破坏。 (克里斯Fragile)

“通过减少你需要做多少沟通,”Fragile说,“这是Stampede 2将会带来收益的想法之一。但是,对于像我们这样的遗留代码来说,这确实意味着一些工作,而这些工作并不是用于使用OpenMP。我们不得不改进我们的代码以包含一些OpenMP调用。这是达蒙一直在帮助我们尽可能顺利地完成这一转变的一件事情。“

McDougall将CosmosDG迄今为止的ECSS工作描述为“非常新生且正在进行中”,其中很多初始工作都在调试代码变慢的内存分配“热点”。

“Damon McDougall真正有帮助的事情之一是帮助我们提高代码的效率,并帮助我们更有效地使用XSEDE资源,以便我们能够根据提供的资源水平做更多的科学研究, “Fragile补充道。

黑洞摆动

Fragile和其他一些科学家已经在宇宙规范的帮助下完成了研究,这有助于研究吸积,分子气体的坠落和空间碎片进入黑洞。黑洞增长为其喷气机提供动力。 “我猜我最着名的一件事是研究磁盘倾斜的吸积盘,”Fragile解释说。

在这个Cosmos代码模拟中,分子云G2(橙色,左)在接近黑洞(白色,右)时被撕开。 (克里斯Fragile)

黑洞旋转。围绕它的气体和碎片也落入其中。然而,它们在不同的旋转轴上旋转。 “我们是第一批研究光盘旋转轴不与黑洞旋转轴对齐的案例的人,”Fragile说。广义相对论表明,旋转体可以对其他不与其对准的旋转体施加扭矩。

脆弱的模拟显示了黑洞摆动,这是一种称为进动的运动,来自旋转吸积盘的扭矩。 “真正有趣的是,在过去五年左右,观察者 - 实际上使用望远镜研究黑洞系统的人 - 已经看到证据表明磁盘可能实际上正在进行我们在模拟中首次显示的这种岁差”脆弱的说。

易碎和同事们使用宇宙代码来研究其他空间奇异点,例如潮汐破坏事件,当分子云或恒星经过的距离足够近以至于黑洞破坏时发生。其他例子包括闵可夫斯基的对象,其中宇宙模拟支持黑洞射流与分子云碰撞以引发恒星形成的观测。

与之前的黑洞吸积相同的模拟,但在更大的范围内显示出完整的计算域,包括从黑洞射出的气体射流。 (克里斯Fragile)

天文学和计算机的黄金时代

“我们生活在一个天文学的黄金时代,”Fragile指的是从哈勃太空望远镜到即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜,再到陆基望远镜如凯克等产生的丰富知识。

Fragile表示,计算已经帮助支持天文学的成功。 “我们在现代天文学中所做的工作离不开计算机,”他总结道。 “我做的模拟是双重的。它们旨在帮助我们更好地理解天体物理现象背后的复杂物理。但它们也可以帮助我们解释和预测观测结果,这些观测结果在天文学中已经,可能会或将会做出。“

出版物:Peter Anninos等人,“CosmosDG:适用于超分辨相对论性MHD的hp适应性不连续伽林金编码”,ApJS,2017; DOI:10.3847 / 1538-4365 / aa7ff5

来源:TACC的Jorge Salazar

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