Ein Ausschnitt aus der Frontier-Simulation, der die Entwicklung eines massiven Galaxienhaufens über Milliarden von Jahren in einem expandierenden Universum zeigt. Im vergrößerten Bild rechts verfolgen Sternspurteilchen die Entstehung von Galaxien und ihre Bewegung im Laufe der Zeit. (Bildnachweis: Argonne National Laboratory/U.S. Dept of Energy)
Der zweitschnellste Supercomputer der Welt – er war früher der schnellste, bevor sein Konkurrent Anfang dieses Monats ans Netz ging – hat die bisher komplexeste Computersimulation des Universums erstellt. Das Ziel dieser Simulation ist es, das zu testen, was Forscher als „kosmologische Hydrodynamik“ bezeichnen.
Der Supercomputer trägt den Namen Frontier, steht im Oak Ridge National Laboratory und ist ein wahres Monster von einem Gerät. Er wurde als erster Exascale-Supercomputer gebaut und kann bis zu 1,1 exaFLOPS ausführen, was 1,1 Quintillionen (10^18 oder 1.100.000.000.000.000.000) Gleitkommaoperationen pro Sekunde entspricht. Er besteht aus 9.472 AMD Zentraleinheiten (CPUs) und 37.888 AMD Grafikprozessoren (GPUs). (Das ist eine schwindelerregende Menge an CPUs und GPUs). Frontier war der schnellste Supercomputer der Welt, bis ein anderer Supercomputer mit dem Namen El Capitan, der sich im Lawrence Livermore National Laboratory befindet, ihn im November 2024 mit 1.742 exaFLOPS überholte, wie auf der AMD-Website zu lesen ist.
Ein Team des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois unter der Leitung von Salman Habib, Abteilungsleiter für Computerwissenschaften, hat seinen Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) auf Frontier eingesetzt. HACC wurde vor etwa 15 Jahren entwickelt und modelliert die Entwicklung des Universums. Der Code wurde so geschrieben, dass er an den jeweils schnellsten Supercomputer angepasst werden kann.
HACC wurde zunächst auf Petascale-Supercomputern (mit einer Leistung von vier Billionen FLOPS) eingesetzt, die weniger leistungsfähig sind als Frontier und El Capitan.
Ein Projekt des Argonne-Teams bestand beispielsweise darin, mit HACC drei verschiedene Kosmologien auf dem Summit-Supercomputer zu modellieren, einem Petascale-Computer, der zwischen November 2018 und Juni 2020 der schnellste der Welt war. Die drei Simulationen wurden nach Planeten aus dem Star-Trek-Universum benannt: die Qo’nos-Simulation (benannt nach der klingonischen Heimatwelt) modellierte das Universum unter Verwendung des Standardmodells der Kosmologie (das sowohl Berechnungen zur dunklen Energie als auch zur kalten dunklen Materie beinhaltet); die Vulkan-Simulation beinhaltete massive Neutrinos, und die Ferenginar-Simulation (benannt nach der Heimatwelt der Ferengi) erforschte ein Universum, in dem die dunkle Energie nicht konstant war, sondern sich mit der Zeit veränderte. Die Ergebnisse der Summit-Simulationen zeigten, dass die Veränderung der dunklen Energie zu einer stärkeren Anhäufung von Galaxien im frühen Universum führen kann – etwas, wonach Astronomen bei Durchmusterungen von Galaxien mit hoher Rotverschiebung suchen könnten, d. h. bei Durchmusterungen von Galaxien, die in Bereiche des extrem weit entfernten Universums blicken.
In vielerlei Hinsicht sind die daraus resultierenden Simulationen so umfangreich und detailliert wie eine große astronomische Durchmusterung, z. B. die Sloan Digital Sky Survey oder die kommenden Durchmusterungen, die vom Vera C. Rubin Observatorium durchgeführt werden.
Bei den Summit-Simulationen handelte es sich jedoch um reine Schwerkraft-Simulationen, d. h. sie waren nicht leistungsfähig genug, um andere Kräfte oder Effekte zu berücksichtigen.
„Wenn wir einen großen Teil des Universums simulieren würden, der von einem der großen Teleskope wie dem Rubin-Observatorium in Chile vermessen wird, geht es um riesige Zeitabschnitte – Milliarden von Jahren der Expansion“, sagte Habib in einer Erklärung. „Bis vor kurzem konnten wir uns nicht einmal vorstellen, eine so große Simulation durchzuführen, außer in der reinen Gravitationsannäherung.
Es wurden leistungsfähigere Simulationen benötigt, um neben der Schwerkraft auch andere Kräfte und Effekte einzubeziehen, und hier kommt Frontier ins Spiel, das von einem 1,8 Milliarden Dollar schweren Projekt des Energieministeriums namens ExaSky zur Finanzierung von Exascale Computing unterstützt wird.
Im Standardmodell der Kosmologie dominieren zwei Komponenten: dunkle Materie und dunkle Energie. Der Stoff, aus dem du und ich gemacht sind – die sogenannte baryonische Materie – macht weniger als 5 % der Materie und Energie im Universum aus.
„Wenn wir also wissen wollen, was im Universum vor sich geht, müssen wir diese beiden Dinge [dunkle Materie und dunkle Energie] simulieren … die Schwerkraft sowie alle anderen physikalischen Phänomene wie heißes Gas, die Entstehung von Sternen, schwarzen Löchern und Galaxien“, so Habib. Er nennt es „die astrophysikalische Küchenspüle sozusagen. Diese … Simulationen nennen wir kosmologische Hydrodynamik“.
Um HACC für den Betrieb auf Frontier vorzubereiten, lautete die Vorgabe des ExaSky-Projekts, dass HACC auf Frontier mindestens 50-mal schneller laufen muss als auf Titan, der 2012, als HACC ursprünglich entwickelt wurde, der schnellste Supercomputer der Welt war. Während des Trockenlaufs auf Frontier übertraf HACC diese Vorgabe und war fast 300 Mal schneller.
Bronson Messer, wissenschaftlicher Leiter der Oak Ridge Leadership Computing Facility, ist der Meinung, dass HACC den „physikalischen Realismus durch die Einbeziehung der Baryonen und all der anderen dynamischen Physik, die diese Simulation zu einer wahren Meisterleistung für Frontier macht“, hinzugefügt hat.
Die Simulationen, die der astronomischen Gemeinschaft zugänglich gemacht werden, ermöglichen es den Forschern, ihre kosmologischen Modelle zu untersuchen und Fragen zur Natur der dunklen Materie, zur Stärke der dunklen Energie oder zu alternativen Modellen der Schwerkraft wie der modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) zu stellen. Die Simulationen können dann mit den Ergebnissen echter astronomischer Durchmusterungen verglichen werden, um festzustellen, welches Modell am besten zu den Beobachtungen passt.
Das alles wirft eine faszinierende philosophische Frage auf: Wenn die Rechenleistung weiter zunimmt, werden unsere Simulationen des Universums parallel dazu immer detaillierter und genauer werden, aber wo wird das enden?
Einige wissenschaftliche Denker haben vorgeschlagen, dass wir selbst in einer Simulation leben könnten, vielleicht als Produkt des Versuchs eines anderen, die Realität zu modellieren. Und wenn wir Simulationen erschaffen, während wir uns in einer Simulation befinden, dann ist es vielleicht wirklich eine Schildkröte auf dem Weg nach unten.
