Das Team erstellt Struktursimulationen der Milchstraße

18. November 2014

von Katie Elyce Jones, Oak Ridge National Laboratory

Wenn Sie heute aus der Ferne ein Foto der Milchstraße machen würden, würde das Foto eine Spiralgalaxie mit einem hellen, zentralen Balken (manchmal auch Bulge genannt) aus dichten Sternpopulationen zeigen. Die Sonne – auf Ihrem Foto sehr schwer zu erkennen – würde sich außerhalb dieses Balkens in der Nähe eines der Spiralarme befinden, die aus Sternen und interstellarem Staub bestehen. Hinter der sichtbaren Galaxie würde sich ein Halo aus dunkler Materie befinden – unsichtbar für Ihre Kamera, aber dennoch wichtig, weil er alles zusammenhält, indem er die Rotationsgeschwindigkeit des Stabs und der Spiralarme verringert.

Wenn Sie nun in die Vergangenheit reisen und ein Video der Entstehung der Milchstraße aufnehmen möchten, könnten Sie 10 Milliarden Jahre zurückgehen, aber viele der herausragenden Merkmale der Galaxie wären nicht erkennbar. Man müsste etwa 5 Milliarden Jahre warten, um Zeuge der Entstehung des Sonnensystems der Erde zu werden. Zu diesem Zeitpunkt, vor 4,6 Milliarden Jahren, sah die Galaxie fast so aus wie heute.

„Die große Struktur der Galaxie ist aus der Selbstorganisation der Sternverteilung in den letzten 10 Milliarden Jahren entstanden und sieht schließlich wie die Milchstraße auf dem Foto aus“, sagte Simon Portegies Zwart vom Observatorium Leiden in den Niederlanden.

Dies ist die Zeitlinie, die ein Team von Forschern aus den Niederlanden und Japan, darunter Portegies Zwart, entstehen sieht, als sie Supercomputer verwenden, um die Entwicklung der Milchstraße zu simulieren. Unter Verwendung eines Codes, der für GPU-Supercomputing-Architekturen entwickelt wurde – darunter der des Cray Der Preis würdigt herausragende Leistungen im Hochleistungsrechnen und wird am 20. November von der Association for Computing Machinery auf der SC14 verliehen.

„Wir wissen nicht wirklich, wie die Struktur der Galaxie entstanden ist“, sagte Portegies Zwart. „Wir haben erkannt, dass wir die Positionen, Geschwindigkeiten und Massen von Sternen im dreidimensionalen Raum nutzen können, um die Struktur aus der Eigengravitation des Systems heraus entstehen zu lassen.“

Die Herausforderung bei der Berechnung der galaktischen Struktur auf Stern-für-Stern-Basis liegt, wie Sie sich vorstellen können, in der schieren Anzahl der Sterne in der Milchstraße – mindestens 100 Milliarden. Daher benötigte das Team mindestens eine 100-Milliarden-Teilchen-Simulation, um alle Punkte miteinander zu verbinden. Vor der Entwicklung des Codes des Teams, bekannt als Bonsai, erreichte die größte Galaxiensimulation etwa 100 Millionen – nicht Milliarden – Teilchen.

Das Team testete eine frühe Version von Bonsai auf dem Titan der Oak Ridge Leadership Computing Facility, dem zweitstärksten Supercomputer der Welt, um die Skalierbarkeit des Codes zu verbessern. Nachdem das Team Bonsai auf fast die Hälfte der GPU-Knoten von Titan skaliert hatte, ließ es Bonsai auf dem Supercomputer Piz Daint im Schweizerischen Nationalen Hochleistungsrechenzentrum laufen und simulierte die Galaxienbildung über 6 Milliarden Jahre mit 51 Millionen Teilchen, die die Kräfte von Sternen und dunkler Materie darstellen. Nach einem erfolgreichen Piz Daint-Lauf kehrte das Team zu Titan zurück, um die Parallelität des Codes zu maximieren.

Der Bonsai-Code zeigte Skalierbarkeit auf 18.600 Titan-Knoten (96 % der GPU-Knoten der Maschine), was eine Milchstraßensimulation über 8 Millionen Jahre und 242 Milliarden Teilchen ermöglichen würde. Bonsai erreichte auf Titan eine kontinuierliche Gleitkommaleistung mit einfacher Genauigkeit von fast 25 Petaflops. Gleitkommaoperationen mit einfacher Genauigkeit verbrauchen weniger Speicher, da Zahlen mit 32 Bit dargestellt werden, während Operationen mit doppelter Genauigkeit präzisere Zahlen auf Kosten der Verwendung von 64 Bit darstellen.

„Mit dem Doktoranden Jeroen Bédorf haben wir damit begonnen, einzelnen Code für GPUs zu schreiben und haben bewusst nie Code auf CPUs geschrieben, weil wir wollten, dass der gesamte Code auf GPUs läuft, um deren Parallelität auszunutzen“, sagte Portegies Zwart. „Die Host-CPUs werden nur verwendet, um die Kommunikation zwischen den Knoten und den GPUs zu optimieren. Auf diese Weise können wir die Verwendung von GPUs für die Zahlenverarbeitung vollständig optimieren und die viel langsameren CPUs nutzen, um den Kommunikationsaufwand zu minimieren.“

Ein weiteres Merkmal von Bonsai, das 242-Milliarden-Teilchen-Simulationen möglich macht, ist die Verwendung eines hierarchischen Baumcodes, der direkte Gravitationskraftberechnungen zwischen jedem Teilchen (oder Stern) und allen anderen Milliarden von Teilchen eliminiert, indem er sie in Oktanten organisiert, die Teilchenwechselwirkungen priorisieren .

Ziel des Teams ist es, die Simulationsergebnisse mit neuen Beobachtungen des im vergangenen Jahr gestarteten Gaia-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation zu vergleichen. Die Gaia-Mission katalogisiert derzeit Sternmessungen – einschließlich Entfernungen, Geschwindigkeiten und Sterntyp – von einer Milliarde Sternen der Milchstraße.

„Ein Prozent der Teilchen oder Sterne in unserer simulierten Galaxie sollten mit den Gaia-Daten übereinstimmen“, sagte Portegies Zwart.

Gaia wird auch Daten zu Sternen liefern, die weiter als die Sonnenumgebung der Erde liegen, oder nur zu Sternen im Umkreis von mehreren zehn Lichtjahren. Im Vergleich mit Bonsai-Simulationen werden diese neuen Beobachtungen den Forschern helfen, die Dynamik größerer Galaxien besser zu verstehen, etwa die Wechselwirkung zwischen Balken und Spiralarmen, zusätzlich zu den lokalen Dynamiken, die rund um die Sonnenumgebung stattfinden.

Da die Galaxie ein großer Ort ist und sich viele Forschungsteams deren Verständnis widmen, plant das Team von Portegies Zwart, der Forschungsgemeinschaft Simulationsdaten und Quellcode aus Bonsai-Projekten zur Verfügung zu stellen.

Bereitgestellt vom Oak Ridge National Laboratory