高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

计算宇宙学之天文N体计算模拟

现状

宇宙学模拟是理解星系形成、暗物质、暗能量等重大科学问题的重要手段，从计算技术方面来讲，宇宙学模拟涉及的物理过程之多、动力学范围之大、计算方法之复杂、计算规模之大，一直是反映国际高性能计算发展水平的典型代表。其中最核心的N体问题模拟及其应用先后9次获得“戈登·贝尔”奖，这充分显示N体问题相关算法及其应用的重要性和并行实现的技术难度。

日本东京大学的Ishiyama和Makino等开发了N体问题并行数值模拟软件GreeM，并在富士通“京”超级计算机上通过各种性能优化技术，在国际上率先实现了万亿粒子规模的宇宙学N体模拟。

我国在宇宙学N体问题大规模模拟方面近几年取得重要突破。中国科学院国家天文台计算天体物理重点实验室和中国科学院计算机网络信息中心合作，在国际上率先发展了基于MIC／CPU混合架构的宇宙学N体模拟软件PhontoNs。该软件在“Intel并行应用挑战赛2014”的两个奖项上均获得了亚军。

对领域应用的促进

2015年北京师范大学张同杰率领的研究团队开发了Tian－Nu软件，在“天河二号”上成功进行3万亿粒子数的中微子和暗物质的宇宙学N体问题模拟，揭示了宇宙大爆炸1 600万年后至今的137亿年的演化进程。该软件基于P2P和PM的耦合算法，模拟结果已发表在《自然－天文》（Nature Astronomy）上，获得了国际宇宙学领域的高度关注。

发展趋势

目前国际上成熟的宇宙学模拟软件均基于纯CPU的传统超级计算机，而大型超级计算机的主流发展方向是深度异构。在异构计算环境下对超大规模粒子体系进行快速模拟需要研究如何提高算法的并行可扩展性，尤其需要解决动态模拟过程中粒子分布不均时的负载均衡问题。另外，还需要研究众核异构平台上的性能优化技术、分布式八叉树周游的计算与通信重叠技术、三维FFT大规模可扩展性并行划分与通信。中国科学院计算机网络信息中心正在与中国科学院国家天文台合作，针对国产超级计算机，通过并行异构算法设计以及代码优化，研发能够满足宇宙学超大规模数值模拟需求的引力场N体模拟软件。基于国产计算系统的天文N体计算模拟软件将实施千亿量级及以上规模的高效率宇宙学模拟，为国际大型星系巡天、暗物质、暗能量大型探测计划，以及我国重大科学工程500米口径球面射电望远镜（FAST）和空间站巡天望远镜等大科学装置提供必要的数值模拟支撑。