Другий за швидкістю суперкомп’ютер у світі Frontier, який втратив пальму першості в листопаді 2024 року, став базою для відтворення найбільшої комп’ютерної симуляції Всесвіту. За словами її творців, метою симуляції є дослідження «космічної гідродинаміки» в контексті стандартної космологічної моделі.

Frontier, розташований у Національній лабораторії Оук-Рідж, це справжній звір у світі суперкомп’ютерів. Він став першим пристроєм, що перетнув ексамежу, сягнувши швидкодії 1,2 ексафлопси – або 1,2 квінтильйона операцій з рухомою комою на секунду у 2022 році. Цей суперкомп’ютер складається з 9472 CPU AMD та 37 888 GPU AMD. Упродовж двох років Frontier зберігав за собою першість за продуктивністю, поки його рекорд у листопаді 2024 року не побив суперкомп’ютер El Capitan з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса із 1,742 ексафлопса.

15 років тому команда Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США створила фреймворк Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (прискорений гібридний космологічний код). Він використовувався для моделювання еволюції Всесвіту. Цей код написали так, аби його можна було адаптувати до нових суперкомп’ютерів, що рік за роком зміняли один одного на посту найшвидшого у світі. Спочатку HACC запускали на системах, потужність котрих вимірювалася у петафлопсах – або квадрильйонах операцій з рухомою комою на секунду, що дуже поступалися сучасним лідерам індустрії, як то Frontier або El Capitan.

Наприклад, один з проєктів Аргонської національної лабораторії передбачав створення трьох різних космологічних моделей на суперкомп’ютері Summit. Він вважався найшвидшим на ринку зовсім недавно – у період з 2018 по 2020 рік, а його продуктивність оцінювали у 122,3 петафлопса. Три симуляції були названі на честь планет у кіновсесвіті Star Trek:

• • • Qo’nos являла собою симуляцію Всесвіту за стандартною космологічною моделлю, в якій присутні темна енергія та темна матерія.
    • Симуляція Vulcan додавала у мікс дані з розрахунком на існування масивних нейтрино.
    • У симуляції Ferenginar вчені досліджували варіант Всесвіту із темною енергією, що не мала постійних параметрів й змінювалася з плином часу.

Результатом цього потрійного дослідження став висновок, що змінність темної енергії могла призвести до сильнішого кластерування галактик у молодому Всесвіті, отже, вчені могли б пошукати подібні кластери під час майбутніх місій з вивчення галактик зі значним червоним зміщенням у найвіддаленіших куточках Всесвіту.

Втім, симуляції, створені з допомогою Summit, були лише «гравітаційними»: тобто через обмеження обчислювальної апаратури вони не брали до уваги інших космологічних чинників, в тому числі і часу. Саме тут на допомогу прийшов Frontier, на основі котрого за підтримки проєкту Міністерства енергетики США ExaSky запустили нову симуляцію. Згідно зі стандартною космологічною моделлю, у Всесвіті домінують два компоненти: темна матерія та темна енергія, а на баріонну матерію, з якої складаємося і ми, і все навкруги нас, припадає менш ніж 5% матерії та енергії Всесвіту.

Тож для найбільш повного розуміння, як він працює, необхідно врахувати усі можливі чинники, включно із темною матерією та енергією, баріонами, гравітацією та іншими компонентами космічної гідродинаміки. Для цього спеціалістам знадобилося удосконалити код HACC, аби той працював принаймні у 50 разів швидше, ніж на суперкомп’ютері Titan, який був найшвидшим у 2012 році під час розробки коду. Перші тести на Frontier продемонстрували, що творцям HACC вдалося «розігнати» його у 300 разів. Експерти зазначили високий ступінь фізичного реалізму оновленого коду, що включав баріони та інші складові динамічної фізики космосу – гарячий космічний газ, народження та загибель зірок, чорних дір, галактик та всю іншу «астрономічну кухню». За словами творців симуляції, скоро доступ до неї отримають їхні колеги, аби мати можливість випробувати та дослідити альтернативні космологічні моделі для подальшого порівняння побаченого із результатами реальних астрономічних досліджень.

Усе це змушує замислитися: якщо обчислювальні потужності людства продовжать зростати, а наші симуляції ставатимуть усе більш детальними, то де знаходитиметься межа їхньої реалістичності? Деякі науковці припускають, що і ми самі можемо жити в симуляції, що є продуктом чиїхось спроб змоделювати їхню реальність, отже, детальність симуляції, ймовірно, не має меж…