Conheça Mira, o supercomputador que faz Universos
No próximo mês, um dos supercomputadores mais rápidos do mundo vão executar o maior, simulação universo mais complexo alguma vez tentada.
Argonne National Laboratory
Cosmologia é a mais ambiciosa das ciências. Seu objetivo, afirmou claramente, é descrever a origem, evolução e estrutura do universo, um universo que é tão enorme como é antiga.Surpreendentemente, descobrir o que o universo usado para olhar como é a parte fácil da cosmologia. Se você apontar um telescópio sensível em um canto escuro do céu, e executar uma longa exposição, você pode pegar fótons do universo jovem, os fótons que primeiro saltou para o espaço intergaláctico mais de dez bilhões de anos atrás. Coletar o suficiente destes vislumbres antigos e você terá um instantâneo do cosmos primordial, um esboço das primeiras galáxias que se formaram após o Big Bang. Graças a céu mapeamento de projetos como o Sloan Digital Sky Survey , também sabemos muito pouco sobre a estrutura do universo atual. Nós sabemos que ele tem se expandido em uma vasta teia de galáxias, amarrados juntos em grupos e filamentos, com gigantescos vazios entre eles.
Como você seguir uma galáxia por quase todo o tempo? Você constrói um novo universo.
O verdadeiro desafio para a cosmologia é descobrir exatamente o que aconteceu com aquelas primeiras galáxias nascentes. Nossos telescópios não vamos vê-los em lapso de tempo, não podemos avançar nossas imagens do universo jovem. Em vez disso, os cosmólogos deve criar narrativas matemáticas que explicam por que algumas dessas galáxias voou separados um do outro, enquanto outros fundidos e caiu nas enormes aglomerados e filamentos que vemos ao nosso redor hoje. Mesmo quando os cosmólogos conseguem forjar uma história plausível tal, eles têm dificuldade para verificar o seu trabalho. Se você não pode ver uma galáxia em cada estágio de sua evolução, como é que você tenha certeza que sua história sobre ele combina com a realidade? Como você seguir uma galáxia por quase todo o tempo? Graças ao poder surpreendente computacional dos supercomputadores, uma solução para este problema está começando a surgir:Você constrói um novo universo.
Em outubro, o terceiro mais rápido supercomputador do mundo, Mira , está programado para executar a maior, simulação universo mais complexo alguma vez tentada. A simulação vai empinar mais de 12 bilhões de anos no valor de evolução cósmica em apenas duas semanas, seguindo trilhões de partículas à medida que lentamente se aglutinam em estrutura web-like que define nosso universo em grande escala. Simulações cósmicas têm sido em torno de décadas, mas a tecnologia necessária para executar uma simulação trilhões de partículas só recentemente se tornou disponível. Graças à Lei de Moore, que a tecnologia está ficando melhor a cada ano. Se a Lei de Moore detém, os supercomputadores do 2010s atrasado será mil vezes mais poderosa que Mira e seus pares. Isso significa que os cosmólogos computacionais serão capazes de executar simulações mais em velocidades mais rápidas e resoluções mais altas. Os universos virtuais que criam vai se tornar o campo de testes para nossas idéias mais sofisticadas sobre o cosmos.
Salman Habib é um físico sênior do Laboratório Nacional Argonne eo líder da equipa de investigação a trabalhar com Mira para criar simulações do universo. Na semana passada, conversei com o Habib sobre cosmologia, supercomputação, e que Mira pode nos dizer sobre a web enorme cósmica que nos encontramos dentro
Ajuda-me a obter uma alça sobre como o projeto vai funcionar. Pelo que entendi, você está indo para criar uma simulação de computador do início do universo logo após o Big Bang, e nesta simulação você terá trilhões de partículas virtuais que interagem uns com os outros - e com as leis da física - mais um período de tempo de mais de 13 bilhões de anos. E uma vez que a simulação tem o seu curso, você estará olhando para ver se o que sai no final se assemelha ao que vemos com nossos telescópios. É isso mesmo?
Habib: Essa é uma boa aproximação do mesmo. Nosso principal interesse é em grande escala formação da estrutura em todo o universo e por isso tentamos começar nossas simulações bem após o Big Bang, e até bem depois da época de fundo em microondas. Deixe-me explicar o porquê.Não temos certeza de como simular o início do universo porque a física são muito complicados e parcialmente desconhecida, e mesmo que pudesse, início do universo é relativo estruturalmente homogênea para a complexidade que vemos agora, para que não precisa de um supercomputador para simular isso. Mais tarde, na época da radiação de fundo, temos uma idéia muito melhor sobre o que está acontecendo. WMAP e Planck deram-nos uma imagem muito clara do que o universo parecia naquele tempo, mas mesmo assim o universo ainda é muito homogênea - perturbações sua densidade são algo como uma parte em cem mil. Com esse tipo de homogeneidade, você ainda pode fazer os cálculos e modelagem sem um supercomputador. Mas se você avançar até o ponto onde o universo é de cerca de um milhão de vezes mais denso do que é agora, que é quando as coisas ficam tão complicado que pretende entregar os cálculos para um supercomputador.
Agora, os trilhões de partículas de que estamos falando não é suposto ser reais partículas físicas como prótons ou nêutrons ou o que seja. Porque esses trilhões de partículas se destinam a representar todo o universo, eles são extremamente enorme, algo na faixa de um bilhão de sóis.Nós sabemos a mecânica gravitacionais de como essas partículas interagem, e assim evoluímos para a frente para ver que tipo de densidades e estrutura que eles produzem, tanto como resultado da gravidade e da expansão do universo. Então, isso é essencialmente o que a simulação faz: é preciso uma condição inicial e move-lo para o presente, para ver se as nossas ideias sobre a formação de estruturas no universo estão corretas.
Em escalas maiores, como você descreveria a estrutura do universo como o vemos hoje através de nossos telescópios? Alguns dizem que é web-like, ou que ele é composto de folhas de filamentos - são aquelas descrições precisas?
Habib: Essa é uma forma muito precisa para pensar sobre isso. Muitas vezes as pessoas concebê-lo como uma teia cósmica, uma imagem que remonta ao físico soviético Yakov Zeldovich que teve essa visão muito profunda sobre como a estrutura se forma no universo. A idéia é que, inicialmente, o universo é muito liso, homogêneo, com perturbações poucos. Se você olhou para ele, você não ver muito. Mas, então, como o universo se expande, a gravidade faz importa para atrair e formar estruturas locais. As primeiras estruturas são para formar folhas, e em que as folhas se cruzam obter filamentos, e em que os filamentos de intersecção obter grumos. Como o tempo avança, você pode começar a ver a estrutura básica onde você tem essa teia enorme de vazios, filamentos e aglomerados. As folhas são muito finas, muito efêmera, por isso é muito mais difícil de ver, mas o resto da estrutura é muito nítida e clara, especialmente quando visto pelo Sloan Digital Sky Survey .
Uma vista da distribuição de matéria no universo a partir de uma simulação de trilhões de partículas, realizado durante a construção da Mira. A resolução real da simulação é muito maior do que é capturado por esta imagem, mesmo a mais pequena caixa tem subestrutura substancial. O lado da caixa de simulação é um pouco mais de 9 bilhões de parsecs - um parsec é 3,26 anos-luz. (Argonne National Laboratory)
Já simulações anteriores foi bem sucedido em produzir a estrutura que ver com telescópios?
Habib: Ah, sim, a estrutura da Web-como é completamente confirmada por simulações.Simulações remontam um longo caminho, um dos primeiros - o que eu considero ser o precursor de simulações modernos - foi feito no final dos anos 1960 pelo americano-canadense cosmólogoJim Peebles . Ele passou um verão em Los Alamos e enquanto ele estava lá, ele era capaz de realizar uma simulação de 300 partículas, que é, naturalmente, muito pequena em comparação com as simulações atuais. As pessoas têm sido simulações cada vez maiores desde então, e quando o fazem, eles sempre ver esta estrutura web-like mesmo.
Existe um componente estético para essas simulações? Você pode realmente ver galáxias formando?
Habib: Há definitivamente um componente estético. Nós estamos olhando para uma imagem real da estrutura, mas você não pode ver galáxias em formação. Não é bem que granular e, além disso estes são apenas simulações de gravidade. Para as simulações de grande escala estrutura, a gravidade é tudo que você precisa para entender como você conseguir folhas e filamentos e aglomerados. Se você quiser ver como as galáxias se formam, você precisa do resto da física - você precisa de átomos individuais, momento angular, física gás, etc Estas são enormemente processos complicados e nós ainda não temos o poder de computação para executá-los no escala de todo o universo. Há pessoas que se simulam formação de galáxias com supercomputadores, mas eles têm que fazer tudo de volumes muito menores do universo.
Alguns dos modelos de inflação para o Universo primitivo sugerem um processo que vai continuar a produzir universos adicionais, talvez com suas próprias leis da física.Certamente isso não é algo que nós poderíamos modelar com um computador agora, mas pode ser que algum dia?
Habib: Podia ser, mas nós temos que entender a teoria melhor. A teoria que você está falando, a inflação eterna, tem dois problemas. Primeiro, a dificuldade de os cálculos, mas segundo a teoria em si não é bem definido. Eu diria que, no momento, as teorias como a inflação eterna estão no reino da física especulativos. Existem modelos para a inflação eterna - Eu tenho escrito artigos sobre eles, e assim tem um monte de outras pessoas - mas se você ir e olhar para as equações, eles não são muito bem definidos. Isso porque quando você fala sobre a produção de novos universos, você está falando sobre a interseção entre a mecânica quântica ea gravidade, e nós ainda não temos uma teoria satisfatória da gravidade quântica. Temos candidatos para que algum dia poderia se transformar em uma teoria satisfatória, mas não podemos dizer com certeza. A idéia multiverso é interessante e provocativa, mas é um trabalho em progresso.
O que acontece quando você deixa os modelos de executar o passado o presente? Em termos de tempo, o que é o mais distante que alguém tomou uma dessas simulações?
Habib: Essa é uma pergunta interessante. Normalmente temos apenas parar as simulações no presente, porque ainda estamos tentando entender como chegamos até aqui, mas não há nenhuma razão particular para detê-los. Você pode continuar a correr para a frente e algumas pessoas têm feito isso no passado. O que eles descobriram é que se você executar o universo distante o suficiente para o futuro que se expande em um lugar bastante sombria.
"Se você executar o universo longe o suficiente no futuro se expande em um lugar muito sombrio."
Toda a matéria foge um do outro, porque o espaço está sendo criado em um ritmo cada vez mais acelerado. Na verdade, as pessoas costumam brincar que este é o momento certo para fazer cosmologia porque trilhões de anos a partir de agora não vamos ser capazes de ver nada: Tudo vai recuaram de vista. Então, sim, nós podemos executar essas simulações para o futuro, mas não é tão interessante. O universo é muito mais interessante agora do que vai ser no futuro, desde que esta fase de expansão acelerada do universo continua como esperamos que ele.
O seu projecto tornou-se possível com o desenvolvimento do supercomputador Mira, o computador mais rápido do terceiro mundo. Você pode descrever o que faz Mira tão especial?
Habib: Deixe-me dizer uma ou duas coisas sobre supercomputadores. A cada poucos anos supercomputadores se cerca de 10 vezes mais poderoso, então a cada nova geração que você começa um grande salto em capacidades. Não só supercomputadores chegar mais rápido, mas eles têm muito maior, o que permite que você execute problemas muito maiores. O que distingue um supercomputador como Mira de um computador normal, é que ele tem um número muito grande de unidades computacionais. Uma maneira simplificada de pensar sobre isso é imaginar ter um milhão de laptops que você em rede, de tal forma que eles são capazes de se comunicar uns com os outros muito rapidamente. Agora você dividir o seu problema se em um milhão de pedaços e você dá a cada pedaço de um computador portátil, o laptop e funciona em seu pedaço e passa os dados em torno de como necessário e, eventualmente, o seu problema é resolvido.
O que faz todas essas simulações possíveis é o tamanho dos supercomputadores. Por exemplo, o Mira tem cerca de um petabyte de memória. Se você tentou fazer uma simulação de como este em um computador normal, você não seria capaz de se encaixar, e mesmo se você pudesse se encaixar, se você tentou executá-lo, ele nunca iria terminar. Com Mira, somos capazes de completar essas simulações do universo no espaço de uma semana ou duas.
Eu sei que os supercomputadores como Mira são usados para todos os tipos de experimentos científicos fora da cosmologia. O que mais será que vai ser usado para nos próximos anos?
Habib: Há um grande número de aplicações. As pessoas usam supercomputadores para determinar as propriedades dos materiais, para entender de combustão, para descobrir como funciona uma chama. Eles também são usados para determinar a dinâmica de fluidos, por exemplo, você pode querer saber como o ar flui em torno da asa de uma aeronave, e você pode calcular com bastante precisão com que um supercomputador. Em astrofísica, existem todos os tipos de aplicações, as pessoas usam supercomputadores para estudar gás intergaláctico, a formação de estrelas, as supernovas e assim por diante.
Mira está localizado no Argonne National Laboratory em Lemont, Illinois. (Argonne National Laboratory)
A Lei de Moore diz-nos que o poder de processamento aumenta exponencialmente.Assumindo que os próximos anos trazer um grande salto no poder de processamento, você preferiria usá-lo para realizar esses experimentos mais rápido, ou a uma maior complexidade?
Habib: Há uma dificuldade que nós estamos correndo contra a Lei de Moore. Se você quiser obter mais desempenho destes computadores, você pode fazer isso de duas formas: Você pode fazer as unidades computacionais mudar mais rápido ou você pode adicionar mais unidades computacionais. Acontece que, se você quiser fazer as unidades mudar mais rápido, você precisa de mais poder. Chegamos a um limite onde podemos, em princípio, construir uma máquina mais rápida, mas que custa US gigawatts de energia para muitos, na verdade, executá-lo e nós simplesmente não podemos dar ao luxo de fazer isso. Assim, a Lei de Moore convencional já está alcançando um ponto de ruptura, porque dessa barreira de energia.
Agora, se você quiser resolver este problema, reduzindo a quantidade de energia usada pelos interruptores no computador, então você tem que reduzir a tensão, mas se você reduzir a tensão de você chegar mais erros. Assim, a próxima geração de computadores - em cinco anos ou mais - promete ser muito diferente. Podemos ter de programá-los de maneiras diferentes, e nós podemos ter que pensar em como poder-los de forma diferente, ou como corrigir os erros. Vai ser interessante e, em alguns sentidos que vai ser mais doloroso do que é agora.
Agora volta de 2018 ou 2020, algo em torno de que a escala de tempo, estas máquinas devem ser mil vezes mais rápido do que são agora. Há uma série de estudos que estão sendo feitos para descobrir o que você poderia fazer com uma máquina assim, mas se vamos realmente chegar lá, eu não sei. Não é ainda claro que haverá investimentos nas tecnologias de que precisamos para nos levar lá. Há alguma esperança de que haverá investimento, porque simulações em supercomputadores estão cada vez mais sendo utilizado fora das ciências básicas.Supercomputadores estão desempenhando um papel importante no desenvolvimento de novas tecnologias. Por exemplo, você pode projetar um motor diesel sem nunca construir um protótipo simplesmente simulando-o com um supercomputador.
Parece uma versão grande, acelerou de uma dessas simulações universo seria perfeito como uma peça de arte pública. Alguém já tentou algo parecido?
Habib: Isso é um pensamento interessante. A questão é como você realmente mostrá-lo, porque é um objeto dinâmico. Você poderia tê-lo como uma projeção de como você vê a planetários e que seria muito bonito, mas realmente você tem que ver em três dimensões. Até que você vê-lo em três dimensões que você não pode apreciar o quão bela é a estrutura. O que seria legal é um holograma de grande escala - algo em que você realmente pode ver a estrutura aparecer ao seu redor. Isso realmente seria algo a ver.