スーパーコンピューターの中に宿るデジタル宇宙 - TechRepublic

数十億年にわたる宇宙の進化をモデル化しようとする場合、頭脳と鉛筆でできることには限界があります。

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幸運なことに、英国ダラム大学の計算宇宙論研究所の研究者たちは、25テラフロップスのスーパーコンピュータを所有しています。

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ダーラム大学計算宇宙論研究所所長のカルロス・フレンク教授は、「人類史上初めて、コンピューター内に仮想宇宙を構築できるようになった」と語った。

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仮想宇宙を構築するために、研究所はコンピューターに物理学の基本法則をプログラムし、初期宇宙を構成していた物質とエネルギーを表すデータを入力し、スーパーコンピューターが吐き出すデジタル銀河を調査する。

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宇宙の進化は、ビッグバンから30万年後、つまり宇宙論の観点から宇宙が実質的に生まれたばかりの頃から今日までシミュレートされます。

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これらのモデルは、加熱と冷却の影響や超新星爆発が星形成に与える影響など、銀河の形成過程を解明する上で研究所の役に立っています。また、周囲の可視物質を引っ張る力以外は目に見えない物質である暗黒物質の影響もシミュレートしています。

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これは、天の川銀河のような銀河を包み込む、幅数万光年に及ぶ星の帯を再現した同研究所のモデルの一つである。

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写真：AP CooperとJ. Helly / Virgo Consortium

同研究所は10年にわたり、スーパーコンピューター内にデジタル宇宙を構築してきた。

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同社の現在のスーパーコンピュータは、コスモロジー・マシン（COSMA 4）と呼ばれ、約3,000個のプロセッサコアと13TB以上のRAMを搭載しています。これは、高性能コンピュータの専門企業であるOCFとIBMによって構築され、以前のスーパーコンピュータであるCOSMA3の7倍の速度を誇ります。

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ntStorageは同研究所にとって頭痛の種となっている。これは、暗黒物質が銀河形成に与える影響を予測するコンピュータモデルが、1回の実行で100TBものデータを生成できることを考えると、驚くべきことではないかもしれない。Cosma 4に搭載された612TBのストレージ容量の3分の2が既に使用済みとなったため、同研究所は最近1.1PBにアップグレードした。この写真は、IBM System x iDataPlexサーバーが設置されたラックを示している。

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Cosma 4は、合計2640個の2.67GHz Intel X5650コアと13.2TBのRAMを搭載した220台のIBM iDataPlex dx360 M3サーバーを使用しています。また、2GHz 7550コアを32個搭載し、それぞれ512MBのRAMを搭載したIBM x3850マシンも2台使用しています。

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写真: ダラム大学

宇宙のように広大なものを研究する場合、コンピューター モデルは研究者が宇宙の起源に関する理論をテストできる数少ない方法の 1 つとなります。

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ntFrenk氏はこう述べた。「他の科学とは異なり、宇宙に関する理論を『検証』するのは非常に困難です。複雑なアルゴリズムを計算するには、脳力だけでは不十分です。」

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nt「今日のコンピューティングパワーは、科学の進め方を変えつつあります。私の専門分野である宇宙論と天体物理学では、コンピューティングに完全に依存しており、それによって宇宙を観察する全く新しい方法が切り開かれました。」

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これは IBM System x iDataPlex サーバーのケーブル接続のショットです。

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写真: ダラム大学

「私たちが使用するモデルの詳細レベルは継続的に増加しているため、プロセッサパワーとデータストレージ容量の継続的な増加が求められています」と、ダラム大学の上級コンピューターマネージャーであるリディア・ヘック博士は述べています。

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nt「当社の新しい研究プロジェクトの1つだけで、COSMA4の全処理能力が半年間消費されます。主要な研究と並行して対応できる他の小規模プロジェクトがあるため、288個の追加コアは非常にありがたいです。」

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研究所でシミュレートできる銀河のサイズと複雑さは、現世代の 64 ビット スーパーコンピューターのメモリと、データ処理にかかる時間によって制限されます。

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これらの制限内で作業するために、コンピュータ モデルは、モデル化される内容の詳細の一部を失うなどして簡略化されます。たとえば、銀河内の数千億の星のそれぞれの形成をモデル化しようとするのではなく、一度に数百万の星の形成をモデル化することを選択します。

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モデルを改良するために、研究者は消去法を用いて、コンピュータ モデルによって生成された銀河の特徴と天文学者による銀河の観測結果を比較し、コンピュータ モデルが現実に適合するかどうかを確認します。

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この写真は、ラック内の Cosma 4 のストレージを示しています。

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写真: ダラム大学

ビッグバンから 10 億年後の宇宙の構造を示すコンピュータ モデル。緑色の渦巻きは暗黒物質、円は成長する銀河を表しています。

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同研究所は2つの主なプロジェクトに注力している。1つはビッグバン直後から現在までの銀河形成をモデル化するもので、もう1つは銀河の外側、特に銀河団や銀河群内のガスをモデル化するものである。

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このモデリングの最終的な目標は、天文学者によって測定された現実の銀河の特性と一致する銀河を作成し、それらのモデルを使用してこれらの銀河の作成に重要なプロセスを理解することです。

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同研究所が作成したシミュレーションでは、銀河間に存在する拡散物質のひもなど、宇宙の特定の構造を高い精度でモデル化しており、研究者らは、これは銀河形成モデルが正しい軌道に乗っていることを示していると述べている。

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写真：サラ・ノーブルとヴィッキー・グリーナー（ダラム大学物理学科）