Comment les supercalculateurs américains modéliseront-ils ensuite les particules élémentaires ?

Le département américain de l’énergie a expliqué cette semaine comment il entend mettre sa puissance de calcul intensif au travail en simulant les éléments constitutifs fondamentaux de l’univers.

Les électrons, les protons et les neutrons qui composent les atomes, dont toute la matière est composée, sont assez bien compris. Cependant, les particules qui composent ces particules – les leptons, les quarks et les bosons – restent mystérieuses et font l’objet d’enquêtes scientifiques en cours.

Une subvention de 13 millions de dollars du programme Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) du Dept of Energy vise à élargir notre compréhension des choses extraordinairement minuscules qui existent dans les particules des atomes.

Pour autant que les scientifiques puissent le dire, les quarks et les gluons – la substance qui les maintient tous ensemble – ne peuvent plus être décomposés. Ils sont littéralement les éléments constitutifs fondamentaux de toute matière. Rappelez-vous bien sûr que les scientifiques pensaient autrefois la même chose des atomes, alors qui sait où cela pourrait mener.

L’initiative fera appel à plusieurs installations du DoE – dont Jefferson, Argonne, Brookhaven, Oak Ridge, Lawrence Berkeley et Los Alamos National Labs, qui collaboreront avec le MIT et William & Mary – pour faire progresser les méthodes de supercalcul utilisées pour simuler le comportement des quarks et des gluons dans protons.

Le programme cherche à répondre à quelques grandes questions sur la nature de la matière dans l’univers, telles que « quelle est l’origine de la masse dans la matière ? Quelle est l’origine du spin dans la matière”, a déclaré Robert Edwards, chef de groupe adjoint du Center for Theoretical and Computational Physics de Jefferson Labs. Le registre.

Aujourd’hui, les physiciens utilisent des superordinateurs pour générer un “instantané” de l’environnement à l’intérieur d’un proton, et utilisent les mathématiques pour ajouter des quarks et des gluons au mélange afin de voir comment ils interagissent. Ces simulations sont répétées des milliers de fois, puis moyennées pour prédire le comportement de ces particules élémentaires dans le monde réel.

Ce projet, mené par le Thomas Jefferson National Accelerator Facility, comprend quatre phases qui visent à rationaliser et à accélérer ces simulations.

Les deux premières phases consisteront à optimiser le logiciel utilisé pour modéliser la chromodynamique quantique – la théorie régissant les photons et les neutrons – afin de décomposer les calculs en plus petits morceaux et de mieux tirer parti des degrés de parallélisme encore plus grands disponibles sur les supercalculateurs de nouvelle génération.

L’un des défis auxquels Edwards et son équipe sont actuellement confrontés est de savoir comment tirer parti des capacités croissantes en virgule flottante des GPU sans se heurter à des goulots d’étranglement de connectivité lors de leur mise à l’échelle.

“Une bonne partie de nos efforts ont tenté de trouver des algorithmes évitant la communication et de réduire la quantité de communication qui doit sortir des nœuds”, a-t-il déclaré.

Une bonne partie de nos efforts ont tenté de trouver des algorithmes évitant la communication

L’équipe cherche également à appliquer des principes d’apprentissage automatique pour paramétrer les distributions de probabilité au cœur de ces simulations. Selon Edwards, cela a le potentiel d’accélérer considérablement les temps de simulation et aide également à éliminer de nombreux goulots d’étranglement autour des communications nœud à note.

“Si nous pouvions le mettre à l’échelle, c’est comme le Saint Graal pour nous”, a-t-il déclaré.

En plus d’utiliser des modèles existants, la troisième phase du projet impliquera le développement de nouvelles méthodes pour modéliser l’interaction des quarks et des gluons dans un univers généré par ordinateur. La phase finale prendra les informations recueillies par ces efforts et les utilisera pour commencer à mettre à l’échelle les systèmes en vue de leur déploiement sur les supercalculateurs de nouvelle génération.

Selon Edwards, les résultats de cette recherche ont également des applications pratiques pour la recherche adjacente, comme l’accélérateur de faisceaux d’électrons continus du Jefferson Lab ou le collisionneur relativiste d’ions lourds du Brookhaven Lab – deux des instruments utilisés pour étudier les quarks et les gluons.

“Beaucoup des problèmes que nous essayons de résoudre maintenant, tels que les infrastructures de code et la méthodologie, auront un impact sur le [electron-ion collider],” il expliqua.

L’intérêt du DoE à optimiser ses modèles pour tirer parti de supercalculateurs plus grands et plus puissants survient alors que l’agence reçoit un chèque de 1,5 milliard de dollars de l’administration Biden pour améliorer ses capacités de calcul. ®