世界最快超級計算機竟能模擬飛機湍流創紀錄

研究人員正在利用世界上最快的計算機來推進湍流模擬技術。湍流是一種常見現象，從我們經歷的顛簸的飛機旅程到早上咖啡中觀察到的漩渦運動，它以各種方式影響着我們的日常生活。

佐治亞理工學院的一個團隊正在簡化的環境中研究湍流物理學，旨在增進對自然和工程的理解。

這項新研究藉助世界上第一臺百億億次級計算機“前沿”，以高達 35 萬億個網格點這一創紀錄的分辨率引入了新的湍流模擬能力。

在許多科學領域，人們曾認爲這種規模的計算是不可能的，但現在我們做到了，或許比預期的還要早。” 佐治亞理工學院丹尼爾·古根海姆航空航天工程學院的教授 P.K. 楊在一份聲明中說道。

上個月，Frontier 協助 橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員解決了長達十年之久的鈣 - 48 磁性之謎。

流體湍流在時間和 3D 空間的各種尺度上都有不規則的波動，這是一個複雜的科學問題，也是高性能計算中的一大挑戰。

技術雖已進步，但理解湍流仍頗具挑戰性。因其不可預測，顯著的波動可能會對自然和技術系統產生不利影響，所以對其展開研究至關重要。

直接數值模擬（DNS）通過求解質量和動量的精確方程，是研究 湍流 最有效的方法。然而，DNS 需要大量的處理能力，尤其是在進行高分辨率模擬時。

自 21 世紀初起，處理能力迅速提升，讓研究人員能夠以更高的分辨率開展模擬，特別是對於簡單的流體流動場景。

當 Frontier 上線時，佐治亞理工學院的團隊能夠在橡樹嶺國家實驗室對其進行訪問。此外，美國能源部科學辦公室的 INCITE 計劃爲計算機提供了大量的時間槽。快速運算的圖形處理單元（GPU）是 Frontier 強大性能的主要來源。

Frontier 由 AMD 的 CPU 和 GPU 構成，通過 HPE 的 Slingshot 互連技術在蜻蜓網絡中實現連接。

該研究重點在於運用 3D 快速傅里葉變換（FFT）來開展直接數值模擬（DNS），以對流體湍流進行模擬，這是一個資源高度集中需求的過程。

當 DNS 應用於像週期性立方體這類簡化的幾何形狀時，其效果最爲顯著，這對於研究小尺度的湍流是非常理想的。

與之前的系統相比，Frontier 強大的計算能力能夠實現更高效的模擬，降低了 CPU 和 GPU 內存之間的數據移動需求。

該研究強調了湍流模擬方面的進展，達到了 35 萬億個網格點的分辨率水平。

分辨率爲 32768³ 的模擬所擁有的網格點數量比之前的記錄多 5.6 至 8 倍。

研究人員聲稱，這種高分辨率使得在湍流研究中取得重要進展成爲可能。

它能夠處理諸如混合、化學反應、粒子運動和磁場之類的複雜現象，並在小規模建模中實現更高的精度。

該研究的目標是在解決數據傳輸問題的同時，有效地將模擬擴展到數千個 Frontier 節點上。未來軟件和硬件的發展可能會進一步改進這些模擬。

專門爲 Frontier 創建的 GESTS 代碼套件能夠對極端規模的湍流予以模擬，並在未來的粒子跟蹤和標量傳輸方面具有潛在用途。

該團隊聲稱，他們在湍流模擬方面的工作還展示了高級 GPU 編程的關鍵原則，這在其他領域或許頗具價值，特別是那些依賴於僞譜方法的領域。

“通過與國家科學基金會支持的約翰霍普金斯湍流數據庫項目合作進行公共數據共享，我們極端規模模擬所產生的科學影響預計會得到進一步增強，”楊在一份聲明中說。