Звездный кластер. Как стало возможным столкнуть мириады звезд и получить результат
12.08.20
Репортаж из Астрофизического института имени В.Г. Фесенкова (АФИФ) в Алматы.
Для современного компьютера вычислить путь одной-единственной звезды — пустяковая задача. Растущие год от года вычислительные мощности сегодня позволяют моделировать целые реально существующие галактики и заставлять их проживать свою жизнь хоть от начала к необозримому будущему, хоть в обратном направлении. При этом не требуется глазеть на процесс миллионы или миллиарды лет.
Наш гид и «виновник торжества» — ведущий научный сотрудник института Денис Юрин. В начале года ему удалось среди 67 заявок выиграть грант Министерства образования и науки РК на 2020-2022 годы среди молодых ученых с темой «Численное исследование механизма формирования спиральных рукавов в дисковых галактиках». Почему именно в Казахстане, возможно, первыми прольют свет на интересующие многих астрофизиков вопросы, он нам и расскажет. Перспектива же разгадать эту задачу теперь вполне реальна, поскольку в рамках упомянутого гранта вычислительные мощности института пополнились тремя новыми высокопроизводительными серверами SuperMicro 7049GP-TRT. Проще говоря, казахстанские астрофизики строят свой суперкомпьютер, который значительно расширит возможности ученых.
Но прежде немного технической информации, без которой ныне не обходится даже выбор обычного смартфона. Внутри каждого нового сервера спрятано по два 12-ядерных процессора IntelXeonGold 6226 и 96 гигабайт оперативной памяти четвертого поколения с частотой 2933 мегагерц и автоматической коррекцией ошибок! С этим обновлением общее количество вычислительных ядер в кластере АФИФ достигло 132. А теперь представьте, какой объем вычислений позволят производить четыре видеокарты Nvidia 2080 Ti, которые также планируют установить в кластер.
Что же касается проекта, с которым Денис отправился на конкурс в Министерство образования и науки, то это довольно любопытная научная проблема. Несмотря на десятилетия исследований, которыми занимаются астрофизики по всему миру, понять, в результате чего у изолированных дисковых галактик формируются спиральные рукава, до сих пор не удалось. Участники проекта планируют пролить дополнительный свет на этот феномен с помощью приобретенного оборудования и оригинальной компьютерной модели.
Чем же поможет этот высокопроизводительный компьютер астрофизикам? Денис разъясняет, что развитие компьютерных технологий позволило совершить значительный прорыв в моделировании различных физических процессов. И уровень детализации, и точность воспроизведения физических процессов стали сопоставимы с уровнем повторных экспериментов. Это означает, что можно с одинаковым успехом переливать или смешивать какие-то вещества в пробирках и то же самое смоделировать на компьютере, и также получать результаты, которые окажутся абсолютно идентичными!
Автомобильные компании, например, уже смогли отказаться от проведения натурных краш-тестов, поскольку вычислительные мощности компьютера позволяют им смоделировать эти процессы весьма достоверно. И уровень детализации, и возможности проанализировать сам процесс в развитии и окончательный результат гораздо выше, чем даже при съемке множеством видеокамер, расположенных внутри и снаружи испытуемого автомобиля. Когда автомобиль «разбивают» в компьютерной программе, инженеры-разработчики могут рассмотреть событие под разными углами, «заглянуть» внутрь детали, увидеть даже силы, которые привели к деформации детали или разрушению компонентов конструкции. Это очень облегчает задачу по созданию безопасного пространства, в котором в момент столкновения находятся водитель и пассажиры. В этом смысле компьютерные технологии стали способны с высочайшей степенью достоверности моделировать различные процессы, которые еще вчера в лаборатории можно было воспроизвести только при наличии компонентов и создании необходимых условий.
Что же касается астрофизики, продолжает Денис, то до сравнительно недавнего времени вообще невозможно было проводить какие-то лабораторные эксперименты. При всем желании невозможно разместить, условно говоря, в пробирке или колбе планеты, звезды, галактики и заставить их жить и двигаться так, как они это делают миллиарды и миллиарды лет. Поэтому астрономия и астрофизика долгое время оставались лишь наблюдательными науками. Теперь же компьютерные технологии позволили ставить эксперименты и в астрофизике!
Стало возможным построить не только галактику, но и более крупные объекты структуры Вселенной. Можно моделировать столкновения галактик, их взаимное влияние. Можно даже «порезать» галактику на слои под любым углом в любом приближении, «поставить» процесс на паузу или «ускорить» его, запустить в обратном направлении…
И АФИФ, можно сказать, отравился в это истинно фантастическое и невероятное путешествие, оставаясь при этом все тем же институтом, расположенным в тех же старинных стенах и в том же живописном уголке нашей страны — на Каменском плато с видом на город у подножия Заилийского Алатау.
Денис извлекает из башни один из серверов и показывает, что в каждом можно разместить по четыре видеокарты. В перспективе есть возможность еще больше поднимать производительность уже имеющегося оборудования. Монтажом, коммутацией, загрузкой программ и отладкой занимались сами — современные ученые-астрофизики часто являются и математиками, и программистами. И для многих написание программ — неотъемлемые и естественные навык и инструмент.
Современные возможности действительно изменили и сам научный процесс, и обстановку в лабораториях. Например, вся, безусловно, нужная и важная литература теперь существует в электронном виде. Научные труды и публикации оцифрованы, а их бумажные оригиналы отправились в архивы. Современная же форма научной литературы дает возможность мгновенной сортировки и поиска по различным параметрам, что значительно сократило время на выполнение служебных задач. И сегодняшняя лаборатория — это самые современные и почти бесшумные компьютеры, большие мониторы, грамотная коммутация и высокоскоростной интернет. И никаких забитых журналами, папками, рулонами и прочей желтеющей бумагой громоздких шкафов вдоль стен. От прежнего формата осталась, пожалуй, только многосекционная маркерная доска. Потому что условный быстрый карандаш в руках ученого способен представить идею наглядно и помогает предметно вести дискуссию. Поэтому белые доски исписаны и изрисованы разноцветными цифрами, формулами, диаграммами, стрелками и таблицами. И это не просто дополнение интерьера «стильным принтом», а часть серьезной, сложной, но интересной работы.
— Чаще всего мы моделируем три вида процессов: компактные звездные кластеры, галактики и крупномасштабную структуру Вселенной, — разъясняет Денис. — И все эти процессы завязаны на моделировании или решении так называемой задачи Nтел, когда нужно предсказать последующее положение всего этого количества тел и их взаимодействие через, условно говоря, минуты, часы, месяцы, годы или миллионы лет вперед. В аналитическом виде эта задача не решена более чем для двух тел. А для трех и более тел она решается только численным методом. Прямым интегрированием мы моделируем двести-триста тысяч тел. А с помощью некоторого упрощения мы сможем на этом кластере смоделировать около ста миллионов тел!
В астрофизике сегодня есть два типа исследований. Первый и известный — это наблюдения посредством оптических или иных приборов, расположенных на земных или орбитальных телескопах. Но, к слову, результаты этих наблюдений также поступают в вычислительный кластер. И второй тип — так называемый виртуальный телескоп, который виртуально моделирует объекты и позволяет виртуально же за ними наблюдать. И сегодня астрофизика-теоретика вы, скорее всего, найдете не за чертежной доской или считающим интегралы на листе блокнота, а за компьютером, где он пишет программу, отлаживает ее и фактически готовит инструмент, который позволит ему расставить миллионы и миллиарды реально существующих во Вселенной тел и заставить эту виртуальную Вселенную, если надо, прожить миллиарды лет условно за несколько суток или часов.
Технологически доступ к вычислительным мощностям открыт из любой точки планеты. Но главным потребителем этого кластера, понятно, пока является Лаборатория космологии, вычислительной астрофизики и звездной динамики АФИФ в рамках грантового проекта. Но по мере выполнения целевых задач машинное время будет высвобождаться, и другие подразделения и самого института, и других научных организаций страны получат возможность оперативно и всесторонне решить и свои научные задачи. Кроме того, мы неоднократно рассказывали, что современные астрофизики из разных институтов, стран и полушарий создают коллаборации для совместного решения каких-то задач. Тем самым они выдвигают гипотезы, объединяют идеи и вместе находят решения. Расширение вычислительного кластера расширяет и возможности АФИФ, поскольку появляется возможность участвовать во многих проектах с другими мировыми институтами.
Грантовый же проект Дениса Юрина нацелен, как было сказано, на исследование формирования спиральных рукавов дисковой галактики. Этот спиральный узор, пожалуй, самая узнаваемая характеристика большинства дисковых галактик. Никто до сих пор не сумел достоверно объяснить, почему эти спиральные рукава образуются, хотя вопрос исследуется довольно продолжительное время.
