Мозговой центр NASA: как суперкомпьютеры раскрывают тайны Вселенной

В самом центре Кремниевой долины расположился NASA Advanced Supercomputing (NAS). Вряд ли где-то еще на Земле найдется такая концентрация вычислительных мощностей — именно здесь уже сорок лет с помощью дивизии суперкомпьютеров NASA моделирует и имитирует миссии, проводит исследования в области аэродинамики, изучает климат и океанические течения, проектирует и разрабатывает космические аппараты. В начале этого года один из таких суперкомпьютеров посредством высокоточных симуляций обнаружил структуру из миллиардов комет, повторяющих форму Млечного Пути, что было неосуществимым в ходе классических астрономических наблюдений. Прямо сейчас суперкомпьютеры работают над реализацией программы Artemis: моделируют различные фазы миссии, предоставляя ученым и инженерам уникальные данные для принятия решений и безопасности астронавтов. 

Насколько масштабными могут быть задачи суперкомпьютеров NASA и не только, где они уже принесли ощутимую пользу на Земле и приблизили ли нас к пониманию Вселенной — об этом наша статья. 

Суперкомпьютеры NASA: история появления 

«NASA использует суперкомпьютеры для решения некоторых из самых сложных проблем страны — от понимания Вселенной до проектирования систем запуска, которые доставят нас на Луну и Марс в рамках миссий Artemis», — так описывает деятельность NAS Уильям Тигпен, один из руководителей Исследовательского центра Эймса. Сейчас здесь работают три петафлопсных компьютера, способных выполнять до 10¹⁵ (квадриллиона) операций с плавающей запятой в секунду: Pleiades, Aitken и Electra. Тут находится и терафлопсный (10¹² операций с плавающей запятой в секунду) суперкомпьютер Endeavour.

Первый суперкомпьютер появился в NAS в 1984 году, а история самой дивизии началась спустя год, со стартом строительства здания под размещение суперкомпьютеров. Некоторые изобретения и разработки, родившиеся в этих стенах, в дальнейшем повлияли на коммерческие суперкомпьютеры — а именно, на создание клиент-серверной архитектуры, глобальных сетей и систем массового хранения данных.

Сейчас все суперкомпьютеры основаны на архитектуре SGI и HPE, оснащены новейшими процессорами Intel, а их возможности доступны более чем 1500 ученых и инженеров NASA. Давайте посмотрим, какие задачи выполняют участники этой суперкомпьютерной дивизии.

Поддержка миссий на Луну

Реализация программы Artemis, имеющей целью возвращение человека на Луну, невозможна без высокопроизводительных вычислений. Значительная часть вычислительной мощности суперкомпьютеров, расположенных в Исследовательском центре Эймса, сегодня направлены именно на поддержку этой программы и будущих лунных миссий. Основные ресурсы суперкомпьютеров работают над тем, чтобы до начала миссии протестировать нагрев, аэродинамику и акустику фаз подъема и спуска космического корабля. Например, Orion с многоразовой капсулой, который используется в программе Artemis, вмещает до четырех членов экипажа. Чтобы обеспечить их безопасную доставку на Луну и возвращение на Землю в апреле 2026 года, когда, по плану, состоится миссия Artemis II, необходимо провести множество испытаний и просчитать все возможные сценарии, начиная от запуска до приземления.

Еще в 2021 году суперкомпьютеры NASA Aitken и Electra смоделировали прерывание запуска космического корабля Orion, если на старте возникнет чрезвычайная ситуация и потребуется переместить в безопасное место капсулу с экипажем.

Посмотрите визуализацию этого процесса: 

Моделирование помогло ученым увидеть и оценить возможные вибрации, создаваемые шлейфами двигателей в случае отмены запуска. На видео можно отследить, что в нештатной ситуации происходит с потоками газов, окрашенных по шкале давления: синим отмечены области низкого давления, а красным — высокого. Зная, как распределяются волны давления, можно предсказать поведение капсулы с экипажем, и спрогнозировать, насколько безопасным это будет для людей. С программным обеспечением Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics (LAVA) команда исследователей провела три такие симуляции для разных сценариев, в которых ракета пребывала на разных высотах и двигалась с разной скоростью. 

Aitken, названный именем выдающегося американского астронома и специализирующийся на двойных звездных системах, — один из двух петафлопсных суперкомпьютеров в Модульном суперкомпьютерном комплексе (Modular Supercomputing Facility, MSF). Особенность конфигурации Aitken — в том, что она обеспечивает наиболее эффективное охлаждение, требуя минимум ресурсов. Второй компьютер, предоставляющий вычислительные ресурсы будущим миссиям Artemis, — Electra, нареченный в честь одной из семи звезд скопления Плеяды в созвездии Тельца. Он был первым прототипом суперкомпьютерной системы NASA.

Aitken и Electra полезны и в других задачах, связанных с моделированием условий запуска. Скажем, как поведут себя в той или иной ситуации двигатели Space Launch System (SLS), наземная система исследований Exploration Ground Systems (EGS) или система шумоподавления? Процессы, в которых они задействованы, сложно моделировать и тестировать, потому эти задачи поручают суперкомпьютерам. Они под управлением нескольких групп исследователей в результате сложных вычислений добывают данные, необходимые для реализации успешных и безопасных миссий.

Например, прогнозирование аэрокосмической нагрузки позволяет определить, не отпадут ли камеры с космического аппарата в промежутке между 20 секундами после подъема и отделением ракеты-носителя. Эту информацию инженеры используют, чтобы сделать корпус космического корабля устойчивым к любым факторам, которые невозможно предсказать без сложного компьютерного моделирования.

Для максимального успеха NASA передает результаты суперкомпьютерных вычислений всем партнерам, поддерживающим миссии Artemis: Boeing, Lockheed Martin и Northrop Grumman. Помимо этого, суперкомпьютеры помогают извлекать уроки из прошлых миссий. Так, с компьютерным моделированием удалось выяснить, как струи двигателей посадочного модуля Apollo 12 взаимодействовали с поверхностью Луны, когда аппарат спустился туда в ноябре 1969 года.

После того как во время запуска Artemis I в 2022 году была повреждена конструкция мобильной пусковой установки, условия запуска смоделировали, чтобы исключить повторение инцидента в следующих миссиях. В процессе моделирования на суперкомпьютере Aitken, длившегося около 25 дней, было сгенерировано более 400 Тб данных, включая статистику нагрузок, акустические данные и давление, которое создают зонды в местах крепления. 

Вот как описывает значение суперкомпьютеров в подготовке миссий на Луну Дерек Далле, сотрудник Исследовательского центра Эймса: «Хотя Apollo показал, что можно добраться до Луны без современных HPC, суперкомпьютерные ресурсы NASA предоставляют другие виды информации, нежели иные типы испытаний. Улучшенное понимание, которое мы получаем путем анализа данных моделирования, снижает риск и повышает безопасность». 

Прогнозирование погоды и изменений климата

Разработка моделей машинного обучения, которые с высокой точностью прогнозируют погодные и климатические изменения, тоже требует огромных вычислительных ресурсов. Одна из таких моделей разработана в NASA с использованием графических процессоров NVIDIA A100, адаптированных под ИИ-нагрузки. Prithvi Weather-Climate Foundation (Prithvi WxC) позволяет моделировать траектории движения ураганов, делать целевые прогнозы погоды и визуализировать гравитационные волны — они влияют на формирование облаков и осадков, могут стать причиной высокой турбулентности или вызвать стратосферное потепление. 

Моделирование Вселенной

Один из суперкомпьютеров NASA — Pleiades, названный в честь одноименного звездного скопления, — использовался для поддержки миссии космического телескопа Kepler. На нем рассчитывали размеры, орбиты и местоположение планет, окружающих исследуемый участок космоса, содержащий более 200 000 звезд. А в феврале 2025 года с помощью Pleiades обнаружили еще одно скопление миллиардов комет, расположенных по спирали — точно так же, как в нашей галактике Млечный Путь. Эта спираль состоит из миллиардов ледяных тел, окруженных оболочкой из комет — облаком Оорта, ранее малоизученной областью. 

Заглянуть в отдаленные уголки Вселенной и лучше понять ее устройство помогают не только суперкомпьютеры NASA. Второй по мощности суперкомпьютер в мире Frontier воспроизводит самую масштабную симуляцию Вселенной, а именно проверяет то, что исследователи называют космологической гидродинамикой. Frontier расположен в Национальной лаборатории Оук-Ридж — это крупнейшее научно-исследовательское учреждение в системе национальных лабораторий Министерства энергетики США. Экзафлопсный (способный выполнять 10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду) суперкомпьютер позволяет ученым исследовать модели Вселенной, задавая вопросы о природе темной материи и энергии, или изучая альтернативные модели гравитации. 

Оптимизация конструкции самолетов

С помощью программного обеспечения LAVA в NASA на суперкомпьютерах в Исследовательском центре Эймса тестируют сценарии полетов существующих и будущих самолетов, совершенствуют их конструкцию для снижения сопротивления и вероятности лобового столкновения. Например, агентство развивает направление электрифицированных самолетов, которые, по прогнозам, станут широко использоваться к середине 2030-х годов. Они экологичнее, потребляют меньше энергии и производят меньше выбросов. Первый такой самолет X-57 Maxwell, анонсированный почти десять лет назад и успешно завершивший испытания в 2020-м, был спроектирован с помощью суперкомпьютера Pleiades. На нем тестировались аэродинамические свойства силовой установки, которая включала 14 двигателей и пропеллеров, расположенных вдоль крыльев. На Pleiades смоделировали множество сценариев полета X-57 Maxwell, проанализировали устойчивость и поведение двигательной системы. В результате удалось на 4% снизить сопротивление конструкции, что приведет к ощутимой экономии топлива в реальных полетах.

Изучение нейтронных звезд

Нейтронными звездами называют космические тела, которые появились в результате эволюции обычных звезд (вероятнее всего, вспышек сверхновых) и многократно превосходят их по плотности. Хотя их массы сопоставимы с массой Солнца, размеры в тысячи раз меньше — до 20 км в радиусе. Существование нейтронных звезд вначале было предсказано благодаря теоретическим расчетам, и лишь затем подтверждено косвенными наблюдениями. Их дальнейшее изучение до сих пор остается невероятно сложной задачей, частично решить которую помогает компьютерное моделирование. Используя данные космического гамма-телескопа Fermi, ученые получили на Aitken трехмерную симуляцию магнитосферы вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем. А с помощью искусственного интеллекта и глубокого обучения — рассчитали массу и радиус этих звезд, определили структуру их магнитного поля. 

Моделирование Солнца

Результаты трехмерной симуляции Солнца — действительно завораживающее зрелище, но намного важнее выводы, которые благодаря этому сложному моделированию делают исследователи. А они касаются влияния вращения Солнца на структуру зоны солнечной конвенции, прохождения солнечных струй и торнадо, воспроизведения звуковых волн и многих других явлений, происходящих внутри нашей звезды и в ее атмосфере. Суперкомпьютеры Pleiades, Electra и Aitken уже помогли смоделировать динамику Солнца и обнаружить его приповерхностный слой толщиной 6200 миль — это важно для понимания того, как реорганизуются поверхностные магнитные поля, перед тем как выйти наружу.

Посмотрите, как выглядит эволюция турбулентных потоков в верхних слоях Солнца:

Реалистичная визуализация сложных космических процессов

Самая мощная система визуализации данных также находится в NASA. И пусть это не совсем суперкомпьютер в традиционном понимании, его вычислительные возможности впечатляют. Площадь гиперстены составляет 300 квадратных футов и состоит из 128 (16 по горизонтали и 8 по вертикали) экранов с суммарным разрешением свыше миллиарда пикселей. Каждый из экранов подключен напрямую к суперкомпьютеру Pleiades, что позволяет обрабатывать фото- и видеоконтент в режиме реального времени. Например, если транслировать изображение Spitzer, которое охватывает около 800 000 кадров с запечатленной на них частью галактики Млечный Путь, исследователи могут увеличивать на нем любые звезды, находить аномалии и закономерности.

Вычисления на Земле — только начало большой истории, по ходу которой мы лучше узнаем Вселенную и происходящие в ней процессы. В ближайшем будущем суперкомпьютеры смогут работать непосредственно в космосе, чтобы анализировать данные на месте, избегая сложной и дорогой отправки в наземную инфраструктуру. Первый из них, AItech S-A2300, будет выполнять операции на низкой околоземной орбите: обрабатывать изображения в режиме реального времени, обеспечивать автономную навигацию и отслеживать космический мусор. Следовательно, революция в космических суперкомпьютерных вычислениях совсем близко, и скоро мы станем ее свидетелями — выходы AItech S-A2300 на орбиту запланированы в первой половине 2026 года.