Astrofysikområdet er storforbruger af supercomputertid og har også en lang tradition for anvendelse af de kraftige regnemaskiner, der strækker sig helt tilbage til 1950’erne og de første computere i verden.
Forskningsområdet er præget af store skalaer i eksempelvis tid og rum, hvilket stiller massive krav til it-afdelingens formåen.
”Man kan ikke bare bygge en stjerne i kælderen og foretage justeringer og ændringer på den. Vi vil gerne have muligheden for at arbejde i tre dimensioner, og det kræver en supercomputer, hvis vi skal bygge et visuelt laboratorium, fortæller Troels Haugbølle, der er astrofysiker og lektor på Københavns Universitet.
Billeder og data fra astronomiske observationer kan kun give en todimensionel version, mens computeren kan tilføje en ekstra, hvilket giver en naturlig sult på regnekraft.
I den sidste forbrugsopgørelse fra PRACE står “Universe Science”, der er alt fra plasma- og sol-fysik til kosmologi, for cirka 20 procent af brugen af alle de fælles europæiske computerressourcer. PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) er et samarbejde mellem en række europæiske lande, der formidler adgang til behandling af data på de største supercomputere i Europa.
Derfor ser Troels Haugbølle også LUMI-projektet som et nyt og interessant redskab i sit arbejde.
LUMI (Large Unified Modern Infrastructure) er et konsortium bestående af ni lande, herunder Danmark, som arbejder på højtryk for at bygge en af verdens kraftigste supercomputere med henblik på at give forskningen i Europe et digitalt kvalitetsløft.
Supercomputeren er planlagt til at være i drift i starten af 2021.
- Læs mere om LUMI her.
GPU/CPU: Næsten ens men kæmpe forskel
Men der er også udfordringer, der skal løses, før tingene kan gå op i en højere enhed. LUMI anvender GPU’er som grundlag for sine beregninger, mens CPU-modellen er langt mere anvendt i både Danmark og resten af verden.
Kort forklaret anvendes enten CPU- (Central Processing Unit) eller GPU-teknologier (Graphics Processing Unit) i forbindelse med store computeranlæg.
CPU’en udmærker sig ved at være generel og have adgang til et stort arbejdslager, så den passer til alle problemtyper. GPU’en kræver at beregningerne udtrykkes som vektor-operationer og den har et mindre arbejdslager, så programmering af den type arkitektur kræver en del ekspertise.
”Det er en politisk beslutning, at LUMI skal benytte GPU-modellen, der har sine fordele. Men det betyder, at der er rigtig meget kode, der skal skrives om. Det er præcis denne udfordring, vi står med i øjeblikket,” fortæller Troels Haugbølle, og fortsætter:
”Hvis dette ikke bliver gjort hurtigt nok, så kommer vi til at stå med ubrugt regnekapacitet på LUMI, og det vil være rigtig ærgerligt både for pengepungen og for forskningen.”
”Vi er videnskabsfolk ikke programmører”
Konverteringen mellem den eksisterende CPU-anvendelige kode og LUMIs GPU-kode kan opnås af forskellige veje, men enslydende for dem er, at det tager tid fra videnskaben og kræver ekspertise.
”Vi forventer, at have vores kode klar, så vi kan anvende LUMI fra dag et. Men hvis alle skal have den maksimale glæde af LUMI, så skal der være bredere fokus og midler til software-udvikling.”
Et billede på overgangen kan være, at man går fra en letkørt familiebil til en formel 1-racer, der er svær at køre, men til gengæld kan komme hurtigt afsted.
Udfordringerne er blandt andet at de programmer (compilere), der kan være behjælpelig med kodeændringerne, er så nye, at de ikke altid giver et godt resultat. Alternativet er en mere håndholdt overgang, hvilket naturligvis er ressourcekrævende.
”Vi er jo videnskabsmænd, og det er ikke alle, der kan håndtere kodeudvikling. Der afsættes altid bevillinger til laboratorier og folk, men der er ikke tradition for midler til softwareudvikling. Det er der virkelig behov for nu,” siger Troels Haugbølle.
Beregninger over 40 millioner år
I gennem de sidste fire år har Troels Haugbølle sammen med kollegaer brugt de største computere i Europa og USA til at lave en model for, hvordan stjerner dannes i Mælkevejen.
For første gang har det været muligt at beregne, hvordan titusindvis af stjerner fødes og udvikler sig over en periode på 40 millioner år.
Nok til at de tungeste af stjernerne eksploderer som supernovaer.
LUMI er således en del af science-kapløbet mod andre forskere i verden, og den kan få en vigtig rolle i dansk videnskabs fremtid, men koden skal være på plads først.
”Der er et konkurrenceelement i forskningen om hvem, der kommer først med resultaterne, og det vil vi naturligvis gerne. Det kræver nogle midler lige nu, som forhåbentlig vil komme tilbage mange gange på den lange bane,” vurderer Troels Haugbølle.
Han peger også på, at HPC-mulighederne (High Performance Computing) kan tiltrække dygtige videnskabsfolk fra udlandet til de danske universiteter.
Faktaboks:
Stjernedannelse er en dynamisk og kaotisk proces, hvor feedback fra stjerner driver supersonisk turbulens i den kolde gas. Shock-bølger kan presse gassen nok sammen til at tyngdekraften tager over; gassen falder sammen under sin egen vægt, og en ny stjerne er født. Processen er, hvad man kalder et “multiskala problem”, hvor dynamikken helt tæt på en nydannet stjerne kan få indvirkning på gassen i et stort område.
Billedet viser en computermodel af et stjernedannende område, og illustrerer hvordan man i de nyeste computermodeller kan opløse detaljer, der er op til 500 millioner gange mindre end hele modellen og samtidig udvikle dynamikken over millioner af år.
Modellerne har hjulpet forskningsgruppen på Niels Bohr Instituttet til at fortolke observationer og forstå hvilke fysiske processer, der driver dannelsen af nye stjerner, og i sin tid vores eget solsystem.