Команда Кейи Хирашимы из RIKEN и коллег из Токийского университета и Барселоны представила на конференции SC25 первую в мире симуляцию Млечного Пути, где каждая из более чем 100 миллиардов звезд считается отдельно — и все это за вполне человеческие сроки благодаря гибриду физики и нейросетей.
Почему раньше это было невозможно
Галактика — это математический «кошмар» для компьютера. С одной стороны, звезды медленно кружатся по орбитам миллиарды лет, подчиняясь гравитации. С другой — сверхновая взрывается за секунды и разбрасывает вокруг себя газовые облака на десятки тысяч лет. Чтобы увидеть и то, и другое одновременно, временной шаг должен быть крошечным. В лучших традиционных моделях одна звезда весит минимум 100 солнечных масс, потому что иначе счет растягивается на десятилетия. На суперкомпьютере Fugaku (7,6 миллиона ядер) миллион лет галактической жизни требовал бы 315 часов реального времени. Миллиард лет — 36 лет непрерывной работы. А если добавить еще ядер, эффективность падает: они начинают мешать друг другу передавать данные.
Главный трюк: нейросеть вместо взрывов
Японцы решили не считать каждый взрыв сверхновой с нуля. Они собрали тысячи детальных симуляций таких взрывов, передали их нейросети и обучили ее предсказывать, как будет расширяться газовое облако в течение последующих 100 тысяч лет.
Теперь, когда в большой галактической модели происходит сверхновая, программа просто спрашивает у нейросети «а что дальше?» и получает готовый ответ за доли секунды. Остальная физика — гравитация, гидродинамика, звездообразование — считается обычным способом. Получается как в большом оркестре, когда вместо того чтобы каждый музыкант сам исполнял сложнейшее соло, самые трудные пассажи просто подкладывают заранее записанную партию настоящего виртуоза.
Технические рекорды проекта 100 миллиардов отдельных звезд (в 100 раз больше, чем в любой предыдущей модели) Разрешение по массе — 1 солнечная масса (раньше минимум 100) 1 миллион лет галактической эволюции = 2,8 часа на земле 1 миллиард лет = 115 дней вместо 36 лет Использовано 7 миллионов ядер Fugaku + Miyabi (Токийский университет) Энергопотребление и время сократились более чем в 100 раз
Снимки модели показывают спиральные рукава, газовые потоки и распределение металлов почти неотличимо от реальных фотографий Млечного Пути.
По словам астрофизиков, теперь можно точно проследить, как в галактике рождаются тяжелые элементы: углерод, кислород, железо — все то, из чего потом состоят планеты и мы сами. Можно проверить теории о том, почему наша галактика выглядит именно так, а не иначе. А главное — впервые можно запускать десятки вариантов симуляции и смотреть, что будет, если изменить начальные условия.
И не только про звезды
Тот же прием уже прикидывают для климата (одновременно считать и глобальное потепление, и отдельный ураган), океанологии (течения и микротурбулентность) и даже медицины (кровоток в артериях плюс поведение отдельных клеток).
«Я убежден, что интеграция ИИ с высокопроизводительными вычислениями знаменует собой фундаментальный сдвиг в подходе к решению многомасштабных задач», — говорит Кейя Хирашима.
«Это показывает, что ускоренное ИИ-моделирование может стать настоящим инструментом научных открытий и проследить, как появились элементы самой жизни в нашей галактике».
Теперь целый Млечный Путь живет внутри японских суперкомпьютеров — и эволюционирует быстрее, чем мы успеваем дочитать эту статью до конца.