宇宙是在不斷膨脹的！而暗能量（Dark energy）正是推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量，中科院理論物理研究所研究員黃慶國(guó)告訴 DeepTech：“暗能量在宇宙中十分稀薄，幾乎不會(huì)給地球帶來任何影響。正因此，人類很難通過在地球上建立的實(shí)驗(yàn)室中‘捕捉’到暗能量?！?/p>

而在 5 月 27 日啟用的 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，正是為了捕捉暗能量，它隸屬于美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）。Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)基于超算公司 Cray 的 “Shasta” 平臺(tái)，具有 GPU 加速節(jié)點(diǎn)和 CPU 節(jié)點(diǎn)，其預(yù)期性能是美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心當(dāng)前的旗艦級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)科里（Cori）的 3-4 倍。

啟用后，它將協(xié)助科學(xué)家拼裝迄今為止最大的宇宙三維地圖，該地圖將揭示暗能量這一宇宙加速膨脹背后的神秘物理學(xué)現(xiàn)象，而 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)還將處理有著 “宇宙攝像機(jī)” 之稱的暗能量光譜儀（DESI）的數(shù)據(jù)。

據(jù)悉，暗能量光譜儀由美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室管理，暗能量的主要發(fā)現(xiàn)者是美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家索爾?珀?duì)柲兀⊿aul Perlmutter）。

索爾此前的部分工作正是在美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的相關(guān)設(shè)備上進(jìn)行的，他也因此獲得 2011 年諾貝爾物理獎(jiǎng)，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的命名正是為了紀(jì)念他。在 5 月 27 日的啟動(dòng)儀式上，索爾也在線上致以祝賀。

暗能量之所以難以捕捉到，是因?yàn)槿祟惛緹o法感受到它的侵入。按照當(dāng)前主流模型來計(jì)算，假如暗物質(zhì)粒子是質(zhì)量為 100GeV（約 100 個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量）的超對(duì)稱粒子，那么我們周圍的暗物質(zhì)粒子密度大約是每立方米五千個(gè)，雖然暗物質(zhì)粒子每時(shí)每刻都在 “侵入” 人類五官，但我們卻毫無感知。在此之前，即便利用地球上最靈敏的探測(cè)設(shè)備，也很難捕捉到這個(gè) “靈活的妖怪”。

“21 世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”

在 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)正式啟動(dòng)的十天前，5 月 17 日，暗能量光譜儀已經(jīng)作為 “開路先鋒” 先行啟動(dòng)，啟動(dòng)后將開始為期 5 年的宇宙探索之旅。此前，暗能量光譜儀已進(jìn)行了為期四個(gè)月的試運(yùn)行，期間捕獲了 400 萬個(gè)星系的光譜，這超過了以往所有光譜調(diào)查的總和。

據(jù)了解，暗能量光譜儀位于美國(guó)亞利桑那州基特峰天文臺(tái)一臺(tái)直徑 4 米的望遠(yuǎn)鏡上，其核心是 5000 個(gè)獨(dú)立的鉛筆大小的機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人控制一個(gè)光纖眼，它們的工作就是聯(lián)合起來捕捉光波，暗能量光譜儀的每次曝光可讓機(jī)器人捕獲多達(dá) 5000 個(gè)星系。

通過捕獲和研究宇宙中數(shù)千萬個(gè)星系、以及其他遙遠(yuǎn)物體的光，暗能量光譜儀將創(chuàng)建出迄今最大、最精細(xì)的星系三維圖譜，并希望借此揭示暗能量的奧秘，加深人類對(duì)宇宙的理解。

該項(xiàng)目的共同發(fā)言人、法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)的宇宙學(xué)家納塔莉?帕蘭克 — 德拉布維爾（Natalie Palanque-Drabwell）表示，大約 10 年前他們開始設(shè)計(jì)該儀器，暗能量光譜儀旨在更好地了解暗能量。未來，暗能量光譜儀可讓研究人員精確地解決以下兩個(gè)問題：什么是暗能量？以及引力遵循廣義相對(duì)論定律的程度有多少？只有理解這兩個(gè)問題，人類才能具備理解宇宙的基礎(chǔ)。

1998 年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)暗能量存在的有力證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)這是一種推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量。宇宙微波背景輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)顯示，宇宙中的暗能量高達(dá) 68.3%，暗物質(zhì)則有 26.8%，普通物質(zhì)只有 4.9%。正因此，科學(xué)家將暗能量與暗物質(zhì)稱為 “21 世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”。

其中涉及到一種紅移現(xiàn)象，它指的是當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，星系之間的距離會(huì)變遠(yuǎn)，這些星系的光會(huì)變成更長(zhǎng)、更紅的光波，因此稱之為紅移。其規(guī)律是星系越遠(yuǎn)，紅移就越大。

測(cè)量星系紅移之后，研究人員將制作一張宇宙 3D 地圖，通過研究相關(guān)星系在地圖上的詳細(xì)分布，科學(xué)家有望在暗能量的影響和性質(zhì)上產(chǎn)生新的見解。

美國(guó)能源部負(fù)責(zé)高能物理的副主任吉姆?西格里斯特（Jim Siegrist）表示，這是首個(gè)開始進(jìn)行科學(xué)調(diào)查的下一代暗能量的項(xiàng)目。除研究暗能量之外，暗能量光譜儀取得的數(shù)據(jù)集，還將用于天體物理學(xué)領(lǐng)域。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、伯克利實(shí)驗(yàn)室的邁克爾?列維（Michael Levy）解釋說，暗能量光譜儀的獨(dú)特之處在于，能測(cè)量比以往任何時(shí)候都多 10 倍的星系光譜，而且可以收集到 110 億年前天體發(fā)出的光。

對(duì)此，黃慶國(guó)告訴 DeepTech：“光譜巡天的最大的好處在于能為宇宙描繪出一幅前所未有的細(xì)致的三維天圖。通過這幅三維天圖，人們不僅能在宇宙尺度上了解暗能量產(chǎn)生的排斥力量是如何推動(dòng)宇宙加速膨脹的，還能窺視這種排斥力量對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)形成的影響過程。甚至，它還能在宇宙尺度上幫助檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確與否?！?/p>

此外，憑借 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的 GPU 速度，研究人員能及時(shí)捕捉每晚幾十次曝光，從而確定第二天晚上暗能量光譜儀應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)的位置。而在此前系統(tǒng)中，研究人員尚未使用 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，那時(shí)需要幾周乃至幾月才能完成全年數(shù)據(jù)的發(fā)布準(zhǔn)備工作，有了 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)，能以此前 20 倍的速度處理上述幾十次的曝光資料，只需幾天就能完成同樣的任務(wù)。

其中，6000 個(gè)英偉達(dá) A100 GPU 給 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)提供了近 4 百億億次混合精度性能，這將幫助科學(xué)家拼合宇宙三維地圖，從而去探索綠色能源的原子內(nèi)的相互作用。

據(jù)英偉達(dá)表示，通過本次合作，在 AI 使用的 16 位和 32 位混合精度數(shù)學(xué)運(yùn)算方面，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)也成為目前全球最快的系統(tǒng)、以及最大的 A100 賦能系統(tǒng)，其搭載 6144 塊英偉達(dá) A100 Tensor Core GPU，可支持物理學(xué)、氣象科學(xué)等領(lǐng)域的 20 多種應(yīng)用。另據(jù)悉，今年晚些時(shí)候，Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)將在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展第二階段的項(xiàng)目。

Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的兩只 “老虎翅膀”：A100 和開源代碼 RAPIDS

據(jù)悉，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)很難在幾納秒內(nèi)使用 Quantum Espresso 這種開源計(jì)算機(jī)代碼套件，來處理在模擬多個(gè)原子時(shí)所需的數(shù)學(xué)運(yùn)算。然而，如果把 Quantum Espresso 的高精度模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，科學(xué)家們可以在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)研究更多原子。

美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的應(yīng)用性能專家布蘭登?庫(kù)克（Brandon Cook）表示：“以前我們不可能針對(duì)電池接口這樣的大型系統(tǒng)進(jìn)行完整的原子模擬，但現(xiàn)在科學(xué)家們計(jì)劃用 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)來進(jìn)行這一模擬?！?目前，布蘭登正在參與啟動(dòng)此類項(xiàng)目。

其中，英偉達(dá) A100 中的 Tensor Core 可在這些方面發(fā)揮相應(yīng)作用，A100 不僅能加速用于模擬的雙精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，還能加速深度學(xué)習(xí)所需的混合精度計(jì)算。

另外，英偉達(dá)開源代碼 RAPIDS 也將加快美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的 Python 程序員團(tuán)隊(duì)的工作速度。相比此前的 CPU，它使該中心的科里（Cori）超級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量分析速度加快了近 600 倍。

在暗能量研究方面，中國(guó)也在加速快跑，黃慶國(guó)告訴 DeepTech：“自從二十世紀(jì)末暗能量被發(fā)現(xiàn)以來，中國(guó)的物理學(xué)家和天文學(xué)家在暗能量的研究方面取得了很多重要成果。最具代表性的是提出了一系列具有國(guó)際影響力的暗能量模型比如全息暗能量模型、宇宙年輪暗能量模型以及精靈暗能量模型等。當(dāng)然，我們依然要清醒地認(rèn)識(shí)到，暗能量的本質(zhì)目前仍是未解之謎，需要全世界的科學(xué)家繼續(xù)努力去揭開謎團(tuán)?！?/p>

編輯：jq