和超算中心合作模拟完成2000万粒子碰撞 让他们更清楚地探索星空

□四川日报全媒体记者 唐泽文
　　9月27日，成都理工大学行星科学中心办公室，周游副教授的电脑显示屏上，两个球体经过碰撞、融合、分裂后，再重新逐步形成两个新的球体。周游说，每次看到这个过程都很感慨，宇宙万物似乎都遵从着一些基本规律，从毁坏到重生，先“破”后“立”。
　　这个看似简单的过程却并不简单——碰撞的过程，由2000万个粒子模拟构成。

提升分辨率靠算力，3个月模拟完成2000万粒子碰撞
　　这是一场月球形成过程的数字化模拟。业界对月球形成的一个主流说法是：约46亿年前，一颗与火星大小类似的星体，与地球发生碰撞，碰撞形成的大量熔岩碎片飘散在地球轨道之内，经过长时间聚集，逐步形成了我们看到的月亮。
　　周游所研究的，就是通过数字化手段去还原这个推断，但这并不是一件容易的事。早在2001年，国外就有科研工作者对这个假说进行了探索，但受制于当时的算力水平，整个模拟过程只使用了6万粒子。
　　“碰撞过程中产生的各种尘埃、碎片远不止这个数，当时的模拟只能看个‘大概’，而且这个‘大概’还很粗糙。”如何才能看得更精细准确？提升模拟过程中的粒子数是关键。“这个数量就像是图片的分辨率，粒子数越多，分辨率越高，我们才能看得更清楚，模拟得更精确。”周游说。
　　提升“分辨率”是一件极难的事。“每增加一个粒子，它自身的热量、大小及状态等情况，都会对其自身及周边其他粒子造成不同影响。这相当于形成了多个变量元素，对算力增加了更多负担。”这意味着，粒子数的增多，对算力要求将呈指数级增长。
　　“如果将粒子数提升到百万级，用现在最先进的工作站模拟一次碰撞过程，时间需要以年为单位计算。”而在周游最新的碰撞模拟中“搞”了一件大事情——把粒子数提升到了2000万。
　　这个看似不可能的算力任务，仅耗时3个月就完成了。距周游办公室40公里外的兴隆湖畔，成都超算中心主体机房内，800个算力核心为他完成了这次计算服务，而这只动用了超算中心极小一部分算力。

突破瓶颈靠软件，希望在成都更好地探索星空
　　不仅是月球形成的模拟，周游还有多个星体运动的项目都在超算中心进行模型推拟。
　　周游介绍，这些项目在软件和硬件适配的过程中，成都理工大学的团队与超算中心的工程师们面对面调整了数十次。“很难想象，如果没有这样强大的一个算力体，我们的工作进展将受到怎样的制约。”
　　当下，周游需要突破的关键瓶颈是天体运动模拟的软件。“2000万个粒子数能不能再突破，限制不在硬件而在软件上。”对目前使用的软件来说，2000万粒子体量已是其承载极限。
　　即便到了2000万，每个粒子的大小仍还有细化空间。“尤其是体积更容易膨胀的气体，需要更高的分辨率才能防止它们的数据丢失。”
　　周游说，在行星科学研究领域，国外的模拟软件体系要相对成熟。“如果把超算中心比作高速公路，软件跟不上，就如同在高速公路上开拖拉机，速度还是提不起来。”而行星科学领域一套成熟的软件，往往需要5到6年的迭代才能逐步成型，这是一个比基础科学还“冷”的“冷板凳”。
　　和超算中心的合作，也让周游团队的这套软件得到了升级。一开始，软件承载量不能达到2000万，目前的承载量是跟对方工程师一起多次优化后的结果。
　　“要想在这个领域走在全球前列，就必须补齐软件这个短板。成都在这方面优势明显，希望能和合作伙伴联手解决这个难题，一起更清楚地探索星空。”周游说。