美国超算 El Capitan 在以前无法实现的高保真模拟中揭示隐藏的世界

美国El Capitan 是世界上最快的超级计算机，对于劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （LLNL） 的科学家来说可能是新的，但它已经允许他们以以前不可能的方式探索物理系统。

随着 El Capitan 的到来，LLNL 研究人员正在进入科学模拟的新时代——在这个时代，他们可以以前所未有的分辨率、真实性和速度对极端物理事件进行建模。从捕捉熔融金属的混乱喷雾到流体流动的湍流，百亿次级机器正在揭示以前遥不可及的世界，这要归功于硬件、软件和科学团队的密切合作，使 LLNL 具有独特的能力，可以在这一领域处于领先地位。

随着百亿亿次级超级计算机 El Capitan 的到来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员正在进入科学模拟的新时代——在这个时代，他们可以以前所未有的分辨率、真实性和速度对极端物理事件进行建模。（图：Dan Herchek/LLNL。视觉效果：Jason Burmark 和 Rob Rieben/LLNL。

在 El Capitan 带来的新功能的首批示例之一中，特别是在材料在极端条件下的行为方面，研究人员使用该机器模拟锡表面在受到强大冲击波和高速冲击时会发生什么。

LLNL 物理学家 Kyle Mackay 和他的团队使用实验室的 ARES 代码（一种用于模拟高能密度物理和惯性约束聚变 （ICF） 实验的复杂工具）对应力下的锡进行了详细模拟。

“冲击的强度足以熔化金属，并将一股热液化锡喷雾（称为喷射物）抛到地表前面，”麦凯解释道。“该模拟因其高保真度而引人注目，采用先进的物理模型来处理表面张力、详细的状态方程，尤其是亚微米网格分辨率等机制。”

在 El Capitan 上实现的模型具有令人难以置信的精细分辨率，使团队能够捕捉金属表面的微小特征，例如加工凹槽和内部空隙。这些小细节对产生的喷射物量有很大影响，但在低分辨率模拟中通常会遗漏它们。据研究人员称，尽管该模型仅覆盖了几立方毫米的锡，但结果是前所未有的。

“如果不使用 El Capitan 这样的机器，这是不可能在这种细节水平上完成的，”麦凯说。

但 El Capitan 并不孤军奋战。这些早期模拟中出现的突破是紧密整合的努力的结果，由算法、模型和多物理场代码背后的熟练研究人员推动，这些算法、模型和多物理场代码经过专门设计，以利用尖端硬件，生产出一套可供更大社区使用的工具。在 LLNL，由领域科学家、代码开发人员和计算专家组成的团队不知疲倦地并肩工作，从头开始共同设计这些功能。

“这不是关于机器，而是关于部署和管理先进硬件与将所有这些世界一流的硬件、软件和科学专家集中在一个屋檐下的结合，这是 LLNL 的标准作程序，”武器模拟和计算项目副主任 Teresa Bailey 说。“这种独特的托管和协作使这些进步成为可能。”

凝视等离子体：以惊人的细节捕捉冲击驱动的流体不稳定性

El Capitan 实现的最令人惊叹的早期进步之一来自一组冲击驱动的流体不稳定性模拟，这种模拟发生在极端力跨越物质边界时发生的那种。

由 Rob Rieben 领导的团队（包括 Thomas stitt、Aaron Skinner 和 Arturo Vargas）使用 LLNL 的多物理场代码 MARBL 模拟了开尔文-亥姆霍兹不稳定性——当两种不同密度的流体在剪切力作用下相互滑动时发生的现象。该团队复制了之前在 Omega 激光设施进行的激光实验的条件，然后将其缩放为由 El Capitan 巨大马力驱动的超高分辨率 3D 模拟。

模型中的冲击波与规定的涟漪（两种材料界面处的扰动）相互作用，当材料混合时产生漩涡、湍流涡流。这些混乱的流动非常难以捕捉，但得益于 El Capitan 上的 1070 亿个正交点和 8,000 多个 AMD GPU，该团队能够非常详细地对整个结构进行建模。

结果是流体在强能量条件下的行为延时，揭示了复杂的剪切和冲击模式，这些模式反映了——在某些情况下甚至超越了——在实验中可能观察到的情况。

“实验是物理真相的最终仲裁者，但可能很难从中提取必要的数据，”Rieben 说。“高保真模拟让我们能够以虚拟方式探测实验的各个方面，而这在真实实验中是无法访问的。El Captain 是一种强大的科学仪器，用于通过前所未有的保真度进行模拟来探索物理。

一个团队使用 LLNL 的多物理场代码 MARBL 对开尔文-亥姆霍兹不稳定性进行了建模，这是一种当两种不同密度的流体在剪切力作用下相互滑动时发生的现象。该团队复制了之前在欧米茄激光设施进行的激光实验的条件，然后将其缩放为由 El Capitan 巨大马力驱动的超高分辨率 3D 模拟。（图片：Rob Rieben/LLNL）

高分辨率湍流揭示经典流问题中隐藏的动力学

另一项高分辨率突破使用 MARBL 来模拟流体动力学中一个经典但众所周知的棘手问题：锁交换。在这种情况下，重气体被固定在屏障后面，然后突然释放成较轻的气体，引发混乱的混合，这与火山流动、海洋浊流甚至火灾闪络条件下发生的情况没有什么不同。研究人员表示，正确的物理原理，尤其是气体搅动并与容器壁相互作用时产生的可压缩湍流，需要精确度。

Jane Pratt 和团队在 El Capitan 的 288 petaFLOP（每秒 288 万亿次计算）配套系统 Tuolumne 上使用 18 亿个正交点运行了全三维模拟，该系统与 El Capitan 共享架构，但大小约为 1/10。这次运行的非凡之处不仅在于分辨率，还在于基于 ALE 的代码捕捉衰减湍流的方式，真实地描述了湍流如何与冲击波相互作用。

普拉特说：“锁交换问题很复杂，因为它涉及一系列流体不稳定性与剪切层和壁相互作用，因为重力流将一种流体的湍流夹带到另一种流体中。”在不可压缩极限内，我们的 MARBL 模拟与实验室实验进行了密切比较。”

“使用 Tuolumne 使我们能够在极端条件下进行 3D 模拟，这些条件很难准确模拟，因为流动条件跨越了广泛的长度和时间尺度，”Pratt 继续说道。“在充分混合的最终状态下，我们使用现代 ALE 代码的框架研究真正湍流的特性，为更广泛的湍流社区提供了令人兴奋的 ALE 能力演示。”

研究人员表示，在 El Capitan 和 Tuolumne 上运行的此类早期模拟有助于弥合理论、实验和极端环境的现实世界动态之间的差距，并暗示这些下一代机器现在正在实现的洞察力。

El Capitan 转变仿真和优化工作流程

麦凯说，除了允许研究人员以更高的分辨率“放大”之外，El Capitan 还可以直接模拟复杂的物理过程，而不是依赖简化的模型来近似它们。通过更详细地捕捉底层物理原理，研究人员可以减少对假设的依赖，甚至了解为什么某些模型在特定条件下可能会失败，从而做出更准确和可靠的预测。

El Capitan 的强大功能还加快了同时运行许多不同模拟的过程——一种称为集成生成的 *** 。这些类型的研究用于优化设计或测试系统对微小变化的敏感程度，过去需要几个月的时间。现在，多亏了 El Capitan，它们可以在短短几天甚至几小时内完成。为了说明这种差异，麦凯使用了设计汽车发动机的类比。

“想象一下，由于计算能力有限，您每天只能运行一次模拟，并且只能对大于一英寸的特征进行建模——您需要对汽车发动机内发生的情况做出大量假设，从而显着减慢优化过程，”他解释道。

由于 El Capitan 的计算能力比其前身 Sierra 提高了 20 倍，研究人员现在可以更频繁地运行模拟——在这个假设的场景中，每小时而不是每天——并以 20 倍的规模检查特征。

“这可以更快地实现更佳设计，并对预期性能更有信心，”Mackay 解释道。