Мозковий центр NASA: як суперкомп’ютери розкривають таємниці Всесвіту

У самісінькому центрі Кремнієвої долини розташований NASA Advanced Supercomputing (NAS). Навряд чи деінде на Землі ще знайдеться така концентрація обчислювальних потужностей — саме тут уже сорок років за допомогою дивізії суперкомп’ютерів NASA моделює й імітує місії, проводить дослідження в галузі аеродинаміки, вивчає клімат та океанічні течії, проєктує й розробляє космічні апарати. На початку цього року один із таких суперкомп’ютерів шляхом високоточних симуляцій виявив структуру з мільярдів комет, які повторюють форму Чумацького Шляху, що було нездійсненним під час класичних астрономічних спостережень. Просто зараз суперкомп’ютери працюють над реалізацією програми Artemis: моделюють різні фази місії, надаючи вченим та інженерам унікальні дані для ухвалення рішень і безпеки астронавтів.

Наскільки масштабними можуть бути завдання суперкомп’ютерів NASA й не тільки, де вони вже принесли відчутну користь на Землі та чи наблизили нас до розуміння Всесвіту — про це наша стаття.

Суперкомп’ютери NASA: історія появи 

“NASA використовує суперкомп’ютери для розв’язання деяких із найскладніших проблем країни — від розуміння Всесвіту до проєктування систем запуску, що доправлять нас на Місяць і Марс у межах місій Artemis”, — так описує діяльність NAS Вільям Тігпен, один із керівників Дослідницького центру Еймса. Наразі тут працюють три петафлопсні комп’ютери, здатні виконувати до 10¹⁵ (квадрильйона) операцій із плаваючою комою за секунду: Pleiades, Aitken і Electra. Тут розташований і терафлопсний (10¹² операцій з плаваючою комою на секунду) суперкомп’ютер Endeavour.

Перший суперкомп’ютер з’явився в NAS 1984 року, а історія самої дивізії почалася за рік, коли стартувало зведення будівлі під розміщення суперкомп’ютерів. Деякі винаходи і розробки, народжені у цих стінах, надалі вплинули на комерційні суперкомп’ютери — а саме, на розробку клієнт-серверної архітектури, глобальних мереж і систем масового зберігання даних.

Нині всі суперкомп’ютери засновані на архітектурі SGI і HPE, оснащені новітніми процесорами Intel, а їхні можливості доступні більш ніж для 1500 вчених та інженерів NASA. Давайте подивимося, які завдання виконують учасники цієї суперкомп’ютерної дивізії.

Підтримка місій на Місяць

Реалізація програми Artemis, яка має на меті повернення людини на Місяць, неможлива без високопродуктивних обчислень. Значна частина обчислювальної потужності суперкомп’ютерів, розташованих у Дослідницькому центрі Еймса, сьогодні спрямовані саме на підтримку цієї програми та майбутніх місячних місій. Основні ресурси суперкомп’ютерів працюють над тим, щоб до початку місії протестувати нагрівання, аеродинаміку та акустику фаз підйому і спуску космічного корабля. Наприклад, Orion з багаторазовою капсулою, який використовується в програмі Artemis, вміщує до чотирьох членів екіпажу. Заради їхнього безпечного транспортування на Місяць і повернення на Землю у квітні 2026 року, коли, за планом, відбудеться місія Artemis II, необхідно здійснити безліч випробувань і розрахувати всі можливі сценарії, починаючи від запуску до приземлення.

Ще 2021 року суперкомп’ютери NASA Aitken і Electra змоделювали переривання запуску космічного корабля Orion, якщо на старті виникне надзвичайна ситуація і знадобиться перемістити в безпечне місце капсулу з екіпажем.

Подивіться візуалізацію цього процесу: 

Моделювання допомогло вченим побачити й оцінити можливі вібрації, створювані шлейфами двигунів у разі скасування запуску. На відео можна відстежити, що в позаштатній ситуації відбувається з потоками газів, забарвлених за шкалою тиску: синім позначені області низького тиску, а червоним — високого. Знаючи, як розподіляються хвилі тиску, можна передбачити поведінку капсули з екіпажем, і спрогнозувати, наскільки безпечним це буде для людей. З програмним забезпеченням Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics (LAVA) команда дослідників провела три такі симуляції для різних сценаріїв, у яких ракета перебувала на різних висотах і рухалася з різною швидкістю.

Aitken, названий іменем видатного американського астронома, що спеціалізується на подвійних зоряних системах, — один із двох петафлопсних суперкомп’ютерів у Модульному суперкомп’ютерному комплексі (Modular Supercomputing Facility, MSF). Особливість конфігурації Aitken — у тому, що вона забезпечує найефективніше охолодження, потребуючи мінімум ресурсів. Другий комп’ютер, що надає обчислювальні ресурси майбутнім місіям Artemis, — Electra, наречений на честь однієї з семи зір скупчення Плеяди в сузір’ї Тельця. Він був першим прототипом суперкомп’ютерної системи NASA.

Aitken і Electra корисні й у інших завданнях, пов’язаних із моделюванням умов запуску. Скажімо, як поводитимуться в тій чи іншій ситуації двигуни Space Launch System (SLS), наземна система досліджень Exploration Ground Systems (EGS) або система шумогасіння? Процеси, в яких вони задіяні, складно моделювати і тестувати, тому ці завдання доручають суперкомп’ютерам. Вони під управлінням кількох груп дослідників у результаті складних обчислень здобувають дані, необхідні для реалізації успішних і безпечних місій.

Наприклад, прогнозування аерокосмічного навантаження дає змогу визначити, чи не відпадуть камери з космічного апарата в проміжку між 20 секундами після підйому і відділенням ракети-носія. Цю інформацію інженери використовують, аби зробити корпус космічного корабля стійким до будь-яких факторів, які неможливо передбачити без складного комп’ютерного моделювання.

Для максимального успіху NASA передає результати суперкомп’ютерних обчислень усім партнерам, які підтримують місії Artemis: Boeing, Lockheed Martin і Northrop Grumman. Крім цього, суперкомп’ютери допомагають з висновками щодо минулих місій. Так, за комп’ютерним моделюванням вдалося з’ясувати, як струмені двигунів посадкового модуля Apollo 12 взаємодіяли з поверхнею Місяця, коли апарат спустився туди в листопаді 1969 року.

Після того як під час запуску Artemis I у 2022 році було пошкоджено конструкцію мобільної пускової установки, умови запуску змоделювали, щоб унеможливити повторення інциденту в подальших місіях. У процесі моделювання на суперкомп’ютері Aitken, що тривало близько 25 днів, було згенеровано понад 400 Тб даних, включно зі статистикою навантажень, акустичними даними і тиском, який створюють зонди в місцях кріплення.

Ось як описує значення суперкомп’ютерів у підготовці місій на Місяць Дерек Далле, співробітник Дослідницького центру Еймса: “Хоча Apollo показав, що можна дістатися Місяця без сучасних HPC, суперкомп’ютерні ресурси NASA надають інакші види інформації, ніж другі типи випробувань. Покращене розуміння, яке ми отримуємо шляхом аналізу даних моделювання, знижує ризик і підвищує безпеку”. 

Прогнозування погоди та змін клімату

Розроблення моделей машинного навчання, які з високою точністю прогнозують погодні та кліматичні зміни, теж потребує величезних обчислювальних ресурсів. Одна з таких моделей розроблена в NASA з використанням графічних процесорів NVIDIA A100, адаптованих під ШІ-навантаження. Prithvi Weather-Climate Foundation (Prithvi WxC) дає змогу моделювати траєкторії руху ураганів, робити цільові прогнози погоди та візуалізувати гравітаційні хвилі — вони впливають на формування хмар і опадів, можуть спричинити високу турбулентність або викликати стратосферне потепління.

Моделювання Всесвіту

Один із суперкомп’ютерів NASA — Pleiades, названий на честь однойменного зоряного скупчення — використовувався для підтримки місії космічного телескопа Kepler. На ньому розраховували розміри, орбіти й місце розташування планет, що оточують досліджувану ділянку космосу, яка містить понад 200 000 зір. А в лютому 2025 року за допомогою Pleiades виявили ще одне скупчення мільярдів комет, розташованих по спіралі — так само, як у нашій галактиці Чумацький Шлях. Ця спіраль складається з мільярдів крижаних тіл, оточених оболонкою з комет — хмарою Оорта, раніше мало вивченою областю.

Зазирнути у найвіддаленіші куточки Всесвіту та краще зрозуміти його устрій допомагають не лише суперкомп’ютери NASA. Другий за потужністю суперкомп’ютер у світі Frontier відтворює наймасштабнішу симуляцію Всесвіту, а саме перевіряє те, що дослідники називають космологічною гідродинамікою. Frontier розташовується в Національній лабораторії Оук-Рідж — це найбільша науково-дослідна установа в системі національних лабораторій Міністерства енергетики США. Екзафлопсний (здатний виконувати 10¹⁸ операцій з плаваючою комою за секунду) суперкомп’ютер дає змогу науковцям досліджувати моделі Всесвіту, ставлячи питання про природу темної матерії та енергії, або вивчаючи альтернативні моделі гравітації.

Оптимізація конструкції літаків

За допомогою програмного забезпечення LAVA в NASA на суперкомп’ютерах у Дослідницькому центрі Еймса тестують сценарії польотів наявних і майбутніх літаків, удосконалюють їхню конструкцію для зниження опору та ймовірності лобового зіткнення. Наприклад, агентство розвиває напрямок електрифікованих літаків, які, за прогнозами, широко використовуватимуть уже з середини 2030-х років. Вони екологічніші, споживають менше енергії і виробляють менше викидів. Перший такий літак X-57 Maxwell, анонсований майже десять років тому, який успішно завершив випробування у 2020-му, був спроєктований за допомогою суперкомп’ютера Pleiades. На ньому тестувалися аеродинамічні властивості силової установки, яка вмикала 14 двигунів і пропелерів, розташованих уздовж крил. На Pleiades змоделювали безліч сценаріїв польоту X-57 Maxwell, проаналізували стійкість і поведінку рухової системи. У результаті вдалося на 4% знизити опір конструкції, що призведе до відчутної економії палива в реальних польотах.

Вивчення нейтронних зір

Нейтронними зорями називають космічні тіла, що з’явилися внаслідок еволюції звичайних зір (найімовірніше, спалахів наднових) і багаторазово перевершують їх за густиною. Хоча їхні маси можна порівняти з масою Сонця, розміри в тисячі разів менші — до 20 км у радіусі. Існування нейтронних зір спочатку було передбачене за теоретичними розрахунками, і лише потім підтверджене непрямими спостереженнями. Їхнє подальше вивчення досі залишається неймовірно складним завданням, частково вирішити яке допомагає комп’ютерне моделювання. Використовуючи дані космічного гамма-телескопа Fermi, вчені отримали на Aitken тривимірну симуляцію магнітосфери обертової нейтронної зорі із сильним магнітним полем. А за допомогою штучного інтелекту і глибокого навчання — розрахували масу і радіус цих зір, визначили структуру їхнього магнітного поля.

Моделювання Сонця

Результати тривимірної симуляції Сонця — справді заворожливе видовище, але набагато важливіші висновки, яких завдяки цьому складному моделюванню дійшли дослідники. А вони стосуються впливу обертання Сонця на структуру зони сонячної конвенції, проходження сонячних струменів і торнадо, відтворення звукових хвиль і багатьох інших явищ, які відбуваються всередині нашої зорі та у її атмосфері. Суперкомп’ютери Pleiades, Electra і Aitken уже допомогли змоделювати динаміку Сонця і виявити його приповерхневий шар завтовшки 6200 миль — це важливо для розуміння того, як реорганізуються поверхневі магнітні поля, перед тим як вийти назовні.

Подивіться, який вигляд має еволюція турбулентних потоків у верхніх шарах Сонця:

Реалістична візуалізація складних космічних процесів

Найпотужніша система візуалізації даних також розташована в NASA. І нехай це не зовсім суперкомп’ютер у традиційному розумінні, його обчислювальні можливості вражають. Площа гіперстіни становить 300 квадратних футів і складається зі 128 (16 за горизонталлю і 8 за вертикаллю) екранів із сумарною роздільною здатністю понад мільярд пікселів. Кожен з екранів під’єднаний безпосередньо до суперкомп’ютера Pleiades, що дає змогу обробляти фото- і відеоконтент у режимі реального часу. Наприклад, якщо транслювати зображення Spitzer, яке містить близько 800 000 кадрів із зафіксованою на них частиною галактики Чумацький Шлях, дослідники можуть збільшувати на ньому будь-які зорі, знаходити аномалії і закономірності.

Обчислення на Землі — лише початок великої історії, під час якої ми краще пізнаємо Всесвіт і процеси, що відбуваються в ньому. У найближчому майбутньому суперкомп’ютери зможуть працювати безпосередньо в космосі, щоб аналізувати дані на місці, уникаючи складного і дорогого відправлення в наземну інфраструктуру. Перший із них, AItech S-A2300, виконуватиме операції на низькій навколоземній орбіті: оброблятиме зображення в режимі реального часу, забезпечуватиме автономну навігацію і відстежуватиме космічне сміття. Тобто революція в космічних суперкомп’ютерних обчисленнях зовсім близько, і скоро ми станемо її свідками — виходи AItech S-A2300 на орбіту заплановані у першій половині 2026 року.