Exascale bilgisayarlarla gece gökyüzünün haritasını çıkarmak

Nasıl çalıştıklarını görmek için birden fazla evren yaratmak bilim insanları için cazip gelebilir, ancak bunun mümkün olmadığı açıktır. Yani, fiziksel evrenlere ihtiyacınız olduğu sürece. Sanal olanlarla yetinebilirseniz çok daha fazla seçenek var.

Kozmologlar, evrenin üst düzey bilgisayarlarda çalışacak şekilde tasarlanmış bilgisayar simülasyonlarını geliştiriyorlar. Bu modeller, evrenimizin geçmişine ve günümüze dair yeni bilgiler sağlamak için bu süper bilgisayarlardan yararlanıyor.

Bilim insanları bu simülasyonları fizikteki en büyük soruların bazılarını keşfetmelerine yardımcı olmak için geliştiriyorlar. Kozmologlar karanlık maddenin evrendeki kütlenin yaklaşık %85’ini oluşturduğunu biliyorlar.

Ancak hala evrenin yapısını nasıl etkilediğini anlamak için çalışıyorlar. Süpernovalardan gelen ışık, evrenin her yıl daha hızlı genişlediğini anlamamıza yardımcı oldu. Ancak bu hızlı genişlemeye neden olan “karanlık enerji” hâlâ bir gizem.

Simülasyonlar, evrenin nasıl evrimleştiğine ilişkin çeşitli hipotezleri test etmek için mevcut gökyüzünü haritalandıran teleskoplardan elde edilen gözlemsel verileri kullanır. DOE’nin Bilim Ofisi, büyük miktarda veri alan bir dizi teleskopu desteklemektedir. ilk veri grubu Arizona’daki Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanından yalnızca iki milyon gök cismi hakkında bilgi var. Vera C. Rubin Gözlemevi’ndeki Legacy Space and Time Survey (LSST) kamerası veri toplamaya başladığında, 10 yıl boyunca her gece yüzlerce görüntü çekecek.

Kozmologlar bu verileri, Dünya’da görebildiklerimizin çok ötesine uzanan devasa gökyüzü haritaları oluşturmak için kullanıyor. Bu “gökyüzü araştırmaları” karanlık enerji, karanlık madde ve diğer kozmik olaylarla ilgili soruları yanıtlamamıza yardımcı olabilir. Simülasyonlar aynı zamanda bilim adamlarının gökyüzünü gözlemlemek için en iyi stratejileri (nereye, ne sıklıkta ve ne kadar derine bakacaklarını) keşfetmelerine de yardımcı olabilir.

Kozmologlar, mevcut gözlemleri analiz etmenin ötesinde, aynı evrenin birçok farklı versiyonunu yaratmalarına olanak tanıyan simülasyonlar geliştirirler. Her versiyon evrenin nasıl evrimleştiğine dair farklı varsayımlara dayanmaktadır. Bilim insanları bu versiyonları gözlemlere dayalı haritalarla karşılaştırarak hangi varsayımların gerçeğe en yakın olduğunu görebiliyor.

ExaSky projesi, bu simülasyonların exascale bilgisayarlarda çalışacak şekilde geliştirilmesine odaklandı. Exascale bilgisayarlar saniyede bir milyar milyar kayan nokta işlemi (bir hesaplama biçimi) gerçekleştirebilir. Karşılaştırıldığında, dünyadaki herkesin benzer sayıda hesaplamayı elle tamamlaması için beş yıl boyunca matematik problemleri çözmesi gerekir.

Oak Ridge Liderlik Bilgi İşlem Tesisi’ndeki Frontier (bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi), Mayıs 2022’de çevrimiçi hale gelen ilk exascale bilgisayardı. Bir sonraki Argonne Liderlik Bilgi İşlem Tesisi’ndeki Aurora (başka bir kullanıcı tesisi) yakında hizmete girecek.

Bu bilgisayarlar, simülasyonlar tarafından üretilen devasa miktardaki hesaplama ve verileri yönetebilecek performansa ve belleğe sahiptir. Kullanıcı tesislerine yönelik desteğin yanı sıra Bilim Ofisi, Exascale Bilgi İşlem Projesi ve Gelişmiş Hesaplama aracılığıyla Bilimsel Keşif programı aracılığıyla ExaSky’yi de destekledi.

Neyse ki ExaSky’daki bilim insanları sıfırdan başlamıyorlardı. Bu proje, önceki simülasyonlara güç veren iki ana bilgisayar kodu setinden yararlandı. Kodlar, milyarlarca galaksinin, bilim adamlarının kozmik ağ olarak adlandırdığı yerde nasıl oluştuğunu ve düzenlendiğini simüle ediyor. Programlar, bireysel galaksilerin hem yapısı hem de fiziği ile bunların kendileriyle ve karanlık maddeyle yerçekimi yoluyla nasıl etkileşime girdiğiyle ilgili parametreleri içerir.

ExaSky projesindeki bilim adamları, exascale bilgisayarların yeteneklerinden tam anlamıyla yararlanmak için bu kodları güncellediler. Exascale bilgisayarlar, tipik bir dizüstü bilgisayardaki gibi merkezi işlem birimlerine (CPU’lar) ek olarak işlem yapmak için video oyunu grafiklerinde kullanılanlara benzer grafik işlem birimleri (GPU’lar) kullanır. Bu farklı donanım biçimine uyum sağlamak genellikle kodlarda önemli revizyonlar gerektirir.

Ancak bu simülasyonları exascale bilgisayarlarda çalıştırmanın büyük avantajları vardır. Bu bilgisayarlar çok büyük simülasyonları çok daha hızlı çalıştırabiliyor. Bu hız, belirli sorunlara yanıt verme süresini aylardan saatlere indirmelerine olanak tanıyor. Ayrıca daha önce yapılması imkansız olan yeni soruları çözmelerine de olanak tanıyacak.

Ek olarak, ExaSky programları, en küçük galaksilerin boyutundan, gözlemlenebilir evrenin kenarına kadar olan yolun beşte birinden daha az bir mesafeye kadar çok çeşitli ölçekleri simüle edebilir. Bu, 1 ila 10 milyon arasında bir ölçekte bir aralıktır.

Exascale bilgisayarlar aynı zamanda bilim adamlarının mevcut simülasyonların içeremeyeceği süreçleri tanımlayabilen yeni modeller geliştirmelerine de olanak tanıyor. Örneğin aktif galaktik çekirdekler, galaksilerin merkezi çekirdeklerinde radyasyon yayan alanlardır. Süper kütleli kara delikler büyük olasılıkla bunlara neden oluyor.

Bu aktif galaktik çekirdekler güneşimizden milyonlarca kat daha büyük olmasına rağmen, onları oluşturan süreçler mevcut simülasyonların dahil edemeyeceği kadar küçük bir ölçektedir. ExaSky simülasyonları, yaklaşık modeller kullanarak bu olayları dahil edebilecektir.

Kozmolojideki en büyük soruları ve evrendeki en büyük yapıları anlamak insanlar için zordur. Simülasyonları yürütmek için üst düzey bilgisayarları kullanan bilim insanları, evrenimizin geçmişine, bugününe ve geleceğine dair içgörüler sağlıyor.