美国启用全球最快的超级计算机协助拼装迄今最大的宇宙三维地图

宇宙是在不断膨胀的！而暗能量（Dark energy）正是推动宇宙加速膨胀的神秘力量，中科院理论物理研究所研究员黄庆国告诉 DeepTech：“暗能量在宇宙中十分稀薄，几乎不会给地球带来任何影响。正因此，人类很难通过在地球上建立的实验室中‘捕捉’到暗能量。”

而在 5 月 27 日启用的 Perlmutter 超级计算机，正是为了捕捉暗能量，它隶属于美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）。Perlmutter 超级计算机基于超算公司 Cray 的 “Shasta” 平台，具有 GPU 加速节点和 CPU 节点，其预期性能是美国国家能源研究科学计算中心当前的旗舰级超级计算机科里（Cori）的 3-4 倍。

启用后，它将协助科学家拼装迄今为止最大的宇宙三维地图，该地图将揭示暗能量这一宇宙加速膨胀背后的神秘物理学现象，而 Perlmutter 超级计算机还将处理有着 “宇宙摄像机” 之称的暗能量光谱仪（DESI）的数据。

据悉，暗能量光谱仪由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室管理，暗能量的主要发现者是美国伯克利实验室的天体物理学家索尔・珀尔默特（Saul Perlmutter）。

索尔此前的部分工作正是在美国国家能源研究科学计算中心的相关设备上进行的，他也因此获得 2011 年诺贝尔物理奖，Perlmutter 超级计算机的命名正是为了纪念他。在 5 月 27 日的启动仪式上，索尔也在线上致以祝贺。

暗能量之所以难以捕捉到，是因为人类根本无法感受到它的侵入。按照当前主流模型来计算，假如暗物质粒子是质量为 100GeV（约 100 个质子的质量）的超对称粒子，那么我们周围的暗物质粒子密度大约是每立方米五千个，虽然暗物质粒子每时每刻都在 “侵入” 人类五官，但我们却毫无感知。在此之前，即便利用地球上最灵敏的探测设备，也很难捕捉到这个 “灵活的妖怪”。

“21 世纪初物理学天空存在的两朵乌云”

在 Perlmutter 超级计算机正式启动的十天前，5 月 17 日，暗能量光谱仪已经作为 “开路先锋” 先行启动，启动后将开始为期 5 年的宇宙探索之旅。此前，暗能量光谱仪已进行了为期四个月的试运行，期间捕获了 400 万个星系的光谱，这超过了以往所有光谱调查的总和。

据了解，暗能量光谱仪位于美国亚利桑那州基特峰天文台一台直径 4 米的望远镜上，其核心是 5000 个独立的铅笔大小的机器人，每个机器人控制一个光纤眼，它们的工作就是联合起来捕捉光波，暗能量光谱仪的每次曝光可让机器人捕获多达 5000 个星系。

通过捕获和研究宇宙中数千万个星系、以及其他遥远物体的光，暗能量光谱仪将创建出迄今最大、最精细的星系三维图谱，并希望借此揭示暗能量的奥秘，加深人类对宇宙的理解。

该项目的共同发言人、法国替代能源和原子能委员会的宇宙学家纳塔莉・帕兰克 — 德拉布维尔（Natalie Palanque-Drabwell）表示，大约 10 年前他们开始设计该仪器，暗能量光谱仪旨在更好地了解暗能量。未来，暗能量光谱仪可让研究人员精确地解决以下两个问题：什么是暗能量？以及引力遵循广义相对论定律的程度有多少？只有理解这两个问题，人类才能具备理解宇宙的基础。

1998 年，科学家首次发现暗能量存在的有力证据，并发现这是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量。宇宙微波背景辐射观测实验得出数据显示，宇宙中的暗能量高达 68.3%，暗物质则有 26.8%，普通物质只有 4.9%。正因此，科学家将暗能量与暗物质称为 “21 世纪初物理学天空存在的两朵乌云”。

其中涉及到一种红移现象，它指的是当宇宙膨胀时，星系之间的距离会变远，这些星系的光会变成更长、更红的光波，因此称之为红移。其规律是星系越远，红移就越大。

测量星系红移之后，研究人员将制作一张宇宙 3D 地图，通过研究相关星系在地图上的详细分布，科学家有望在暗能量的影响和性质上产生新的见解。

美国能源部负责高能物理的副主任吉姆・西格里斯特（Jim Siegrist）表示，这是首个开始进行科学调查的下一代暗能量的项目。除研究暗能量之外，暗能量光谱仪取得的数据集，还将用于天体物理学领域。

该项目负责人、伯克利实验室的迈克尔・列维（Michael Levy）解释说，暗能量光谱仪的独特之处在于，能测量比以往任何时候都多 10 倍的星系光谱，而且可以收集到 110 亿年前天体发出的光。

对此，黄庆国告诉 DeepTech：“光谱巡天的最大的好处在于能为宇宙描绘出一幅前所未有的细致的三维天图。通过这幅三维天图，人们不仅能在宇宙尺度上了解暗能量产生的排斥力量是如何推动宇宙加速膨胀的，还能窥视这种排斥力量对于宇宙结构形成的影响过程。甚至，它还能在宇宙尺度上帮助检验爱因斯坦的广义相对论正确与否。”

此外，凭借 Perlmutter 超级计算机的 GPU 速度，研究人员能及时捕捉每晚几十次曝光，从而确定第二天晚上暗能量光谱仪应该对准的位置。而在此前系统中，研究人员尚未使用 Perlmutter 超级计算机，那时需要几周乃至几月才能完成全年数据的发布准备工作，有了 Perlmutter 超级计算机，能以此前 20 倍的速度处理上述几十次的曝光资料，只需几天就能完成同样的任务。

其中，6000 个英伟达 A100 GPU 给 Perlmutter 超级计算机提供了近 4 百亿亿次混合精度性能，这将帮助科学家拼合宇宙三维地图，从而去探索绿色能源的原子内的相互作用。

据英伟达表示，通过本次合作，在 AI 使用的 16 位和 32 位混合精度数学运算方面，Perlmutter 超级计算机也成为目前全球最快的系统、以及最大的 A100 赋能系统，其搭载 6144 块英伟达 A100 Tensor Core GPU，可支持物理学、气象科学等领域的 20 多种应用。另据悉，今年晚些时候，Perlmutter 超级计算机将在美国劳伦斯伯克利国家实验室开展第二阶段的项目。

Perlmutter 超级计算机的两只 “老虎翅膀”：A100 和开源代码 RAPIDS

据悉，传统超级计算机很难在几纳秒内使用 Quantum Espresso 这种开源计算机代码套件，来处理在模拟多个原子时所需的数学运算。然而，如果把 Quantum Espresso 的高精度模拟与机器学习相结合，科学家们可以在更长时间内研究更多原子。

美国国家能源研究科学计算中心的应用性能专家布兰登・库克（Brandon Cook）表示：“以前我们不可能针对电池接口这样的大型系统进行完整的原子模拟，但现在科学家们计划用 Perlmutter 超级计算机来进行这一模拟。” 目前，布兰登正在参与启动此类项目。

其中，英伟达 A100 中的 Tensor Core 可在这些方面发挥相应作用，A100 不仅能加速用于模拟的双精度浮点数学运算，还能加速深度学习所需的混合精度计算。

另外，英伟达开源代码 RAPIDS 也将加快美国国家能源研究科学计算中心的 Python 程序员团队的工作速度。相比此前的 CPU，它使该中心的科里（Cori）超级计算机网络流量分析速度加快了近 600 倍。

在暗能量研究方面，中国也在加速快跑，黄庆国告诉 DeepTech：“自从二十世纪末暗能量被发现以来，中国的物理学家和天文学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国际影响力的暗能量模型比如全息暗能量模型、宇宙年轮暗能量模型以及精灵暗能量模型等。当然，我们依然要清醒地认识到，暗能量的本质目前仍是未解之谜，需要全世界的科学家继续努力去揭开谜团。”

编辑：jq