Un Nuevo Fundamento Computacional

Investigadores han logrado la mayor simulación del universo hasta la fecha, utilizando la supercomputadora Frontier. Esta simulación incluye tanto la materia oscura como la materia atómica, y fue posible gracias a avances en un código llamado HACC, que ahora puede realizar quintillones de cálculos por segundo. Este avance ayudará a conciliar los datos observacionales con los modelos teóricos.

Avance en la Simulación del Universo

A principios de este mes, investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía utilizaron la supercomputadora más rápida del mundo para ejecutar la mayor simulación astrofísica del universo jamás lograda. Esta simulación fue posible gracias a la supercomputadora Frontier en el Laboratorio Nacional Oak Ridge. Los cálculos establecieron un nuevo estándar para la hidrodinámica cosmológica, permitiendo modelar tanto la materia atómica como la materia oscura simultáneamente.

Una pequeña muestra de las simulaciones de Frontier muestra la evolución del universo en expansión en una región que contiene un enorme cúmulo de galaxias desde hace miles de millones de años hasta la actualidad. Las áreas rojas muestran gases más calientes, con temperaturas que alcanzan los 100 millones de Kelvin o más. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne, Departamento de Energía de EE. UU.

Simulaciones Cosmológicas Avanzadas a Escala Exascale

«Hay dos componentes en el universo: la materia oscura, que solo interactúa gravitacionalmente, y la materia convencional o atómica», dijo el líder del proyecto, Salman Habib, director de la división de Ciencias Computacionales en Argonne.

«Por lo tanto, si queremos saber qué está haciendo el universo, necesitamos simular ambas cosas: la gravedad así como toda la otra física, incluyendo el gas caliente y la formación de estrellas, agujeros negros y galaxias», añadió. «Estas simulaciones son lo que llamamos simulaciones de hidrodinámica cosmológica».

Superando Desafíos Computacionales

Las simulaciones de hidrodinámica cosmológica son mucho más difíciles de llevar a cabo en comparación con las simulaciones de un universo en expansión que solo involucran los efectos de la gravedad.

«Por ejemplo, si quisiéramos simular una gran parte del universo observado por uno de los grandes telescopios, como el Observatorio Rubin en Chile, estaríamos hablando de observar enormes períodos de tiempo, miles de millones de años de expansión», dijo Habib. «Hasta hace poco, ni siquiera podíamos imaginar hacer una simulación tan grande, excepto en la aproximación de solo gravedad».

Al hacer zoom en la simulación de Frontier, las partículas rastreadoras de estrellas rastrean la formación de galaxias y su movimiento a lo largo del tiempo. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne, Departamento de Energía de EE. UU.

Aprovechando la Computación de Alto Rendimiento

El código de la supercomputadora utilizado en la simulación se llama HACC, abreviatura de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code. Fue desarrollado hace unos 15 años para máquinas de petascale. Más tarde, HACC fue significativamente mejorado como parte de ExaSky, un proyecto especial liderado por Habib dentro del Proyecto de Computación Exascale, o ECP, una iniciativa de \$1.8 mil millones del DOE que se llevó a cabo desde 2016 hasta 2024.

Como parte de ExaSky, el equipo de investigación de HACC pasó los últimos siete años añadiendo nuevas capacidades al código y reoptimizándolo para ejecutarse en máquinas exascale impulsadas por aceleradores GPU. Ejecutándose en la supercomputadora Frontier de clase exascale, HACC fue casi 300 veces más rápido que la ejecución de referencia.

Logros a Escala Exascale en la Modelización del Universo

Las innovadoras simulaciones lograron su rendimiento récord utilizando aproximadamente 9,000 de los nodos de computación de Frontier, impulsados por GPUs AMD Instinct™ MI250X. Frontier se encuentra en el Oak Ridge Leadership Computing Facility, o OLCF, del ORNL.

«No es solo el tamaño del dominio físico, que es necesario para hacer comparaciones directas con las observaciones modernas de encuestas habilitadas por la computación exascale», dijo Bronson Messer, director de ciencia de OLCF. «Es también el realismo físico adicional de incluir los bariones y toda la otra física dinámica lo que hace que esta simulación sea una verdadera hazaña para Frontier».

En noviembre de 2024, investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía utilizaron Frontier, la supercomputadora más rápida del planeta, para ejecutar la mayor simulación astrofísica del universo jamás realizada. Este video muestra la formación del objeto más grande en la simulación Frontier-E. El panel izquierdo muestra un subvolumen de 64x64x76 Mpc/h de la simulación (aproximadamente 1e-5 del volumen total de la simulación) alrededor del objeto grande, con el panel derecho proporcionando una vista más cercana. En cada panel, mostramos el campo de densidad de gas coloreado por su temperatura. En el panel derecho, los círculos blancos muestran partículas estelares y los círculos negros abiertos muestran partículas AGN.

Crédito: Laboratorio Nacional Argonne, Departamento de Energía de EE. UU.

OLCF, ALCF y NERSC son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.

Esta investigación fue apoyada por el ECP y los programas de Investigación Científica Avanzada y Física de Alta Energía bajo la Oficina de Ciencia del DOE.