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El universo MareNostrum

Hola y mil gracias por leerme. Te escribe Simón Sánchez y en esta ocasión vamos a hablar sobre El universo MareNostrum

Según la Biblia, el universo se creó en aproximadamente una semana. Los astrofísicos están construyendo actualmente un universo virtual que se completará en unos cuatro meses, utilizando procesadores 2048 de la supercomputadora MareNostrum. Alojada por el Barcelona Supercomputing Center, esta máquina IBM de 10.240 procesadores es capaz de ejecutar más de 94 billones de operaciones por segundo. Esta estructura única, la más grande de Europa e irónicamente ubicada dentro de una antigua capilla, es el lugar perfecto para calcular la formación y evolución de una réplica virtual de nuestro universo.

La última generación de instrumentos astronómicos ha permitido a los astrónomos tener una visión clara del universo en su infancia, basada en el llamado «fondo cósmico de microondas», así como una comprensión muy detallada del universo ahora, en su edad adulta. , edad adulta. Para cerrar la brecha y prepararse para la próxima generación de instrumentos astronómicos, astrofísicos de toda Europa se reunieron en Barcelona para ejecutar una aplicación única que puede calcular la evolución de estructuras a gran escala en el universo.

El proyecto de formación de la galaxia MareNostrum es una colaboración multidisciplinar entre astrofísicos de Francia, Alemania, España, Israel y Estados Unidos, junto con expertos en TI del IDRIS (Institut du Développement et des Ressources en Informatique Scientifique) y BSC (Barcelona Supercomputing Center). La aplicación resuelve un conjunto muy complejo de ecuaciones matemáticas traduciéndolas a sofisticados algoritmos computacionales. Estos algoritmos se basan en técnicas de refinamiento de malla adaptativa de última generación y tecnologías de programación avanzadas para optimizar la ejecución oportuna de la misma aplicación en varios miles de procesadores paralelos.

La simulación ahora está calculando la evolución de una parte de nuestro universo, una caja cúbica de 150 millones de años luz en un lado, con una precisión sin precedentes. Se necesitan alrededor de 10 mil millones de elementos computacionales para describir los diferentes tipos de materia que se cree que componen cada galaxia en nuestro universo: materia oscura, gas y estrellas. Esto requiere la potencia combinada de los procesadores PowerPC de 2048 970 MP y hasta 3,2 TB de RAM. A diferencia de otros grandes problemas computacionales donde la información se puede dividir en actividades independientes, y debido a la naturaleza no local de los procesos físicos con los que estamos tratando, todos los procesadores 2048 tienen que intercambiar grandes cantidades de datos con mucha frecuencia. Para soportar este tipo de procesamiento, la aplicación aprovecha la interconexión Myrinet de alto ancho de banda y baja latencia instalada en la computadora MareNostrum. Una computadora personal, siempre que tenga suficiente memoria para almacenar todos los datos, tardaría unos 114 años en realizar la misma tarea.

En aproximadamente cuatro meses, utilizando casi un millón de horas de CPU, se simularán varios miles de millones de años de historia del universo. La simulación hace un uso intensivo del subsistema de E / S. Para permitir que una simulación tan grande se ejecute sin problemas durante semanas de cálculo y lograr un rendimiento óptimo del sistema, fue necesario ajustar la aplicación: el paquete de simulación proporciona un mecanismo de reinicio que permitió restablecer y reanudar el cálculo. De esta forma, la aplicación es capaz de manejar fallas de hardware sin tener que reiniciar desde el principio. Este mecanismo requiere que se escriban aproximadamente 30 TB de datos para guardar el estado de la aplicación. Para minimizar la contención del sistema de archivos global, se ha propuesto una estructura de directorio optimizada, que admite un rendimiento sostenido de «escritura en paralelo» de 1,6 Gbps. Se han considerado otros aspectos de diseño para mejorar la «lectura y transmisión paralela» masiva en la red Myrinet, con el fin de leer y enviar datos de condición inicial a través de todos los procesadores.

Al igual que en las películas simuladas por computadora, una gran cantidad de instantáneas se almacenan en secuencia para proporcionar una animación realista. La cantidad total de datos científicos generados superará los 40 TB. Esta base de datos única constituirá un universo virtual que los astrofísicos explorarán para crear observaciones ficticias y arrojar luz sobre los diferentes procesos que dieron origen a las galaxias y, en particular, a nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

La primera semana de cómputo se realizó en septiembre pasado, durante la cual se generaron 34 instantáneas, produciendo más de 3 TB de datos. Durante toda la semana, solo se perdieron dos horas debido a una falla de hardware. Esto se debió a la falla de un solo nodo de cómputo, de los 2100 procesadores reservados para ejecución.

El universo virtual MareNostrum evolucionó hasta la edad de 1.500 millones de años. Los astrofísicos creen que esta es precisamente la era de la formación de las primeras galaxias similares a la Vía Láctea. Los investigadores detectaron alrededor de 50 objetos tan grandes, con más de 100.000 galaxias más pequeñas adicionales en el universo simulado. Actualmente están analizando sus propiedades físicas en el catálogo virtual, además de prepararse para las próximas rondas de cálculos que serán necesarios para completar la historia del universo virtual.

Uno de los problemas más importantes en el modelado numérico de fenómenos físicos complejos es la precisión de los resultados. Desafortunadamente, los investigadores no pueden comparar los resultados de las simulaciones numéricas con los experimentos de laboratorio, como en otras áreas de la dinámica de fluidos computacional. En cambio, la confiabilidad de las simulaciones puede evaluarse comparando los resultados de diferentes códigos numéricos a partir de las mismas condiciones iniciales. En este sentido, los investigadores también están simulando el Universo MareNostrum con un enfoque numérico totalmente diferente, utilizando más de dos mil millones de partículas para representar los diferentes componentes del fluido. Esta simulación es parte de un proyecto a largo plazo llamado The MareNostrum Numerical Cosmology Project (MNCP). Su propósito es utilizar las capacidades de la supercomputadora MareNostrum para ejecutar simulaciones del universo con una resolución sin precedentes.

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Fuente: Barcelona Supercomputing Center, http://www.bsc.es/

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