聽專家講，中國如何用高性能計算復刻一個虛擬宇宙

浩瀚無垠的宇宙是如何演化的、神秘的暗物質到底發揮著什么作用……這些都是當今天文領域的熱門話題。想要探索其中的奧秘，除了傳統的天文觀測之外，天文學家們越來越多地開始借助超級計算機的力量。近日，由中國科學院國家天文臺牽頭的國際團隊面向全球成功推出超大規模宇宙學模擬項目——“千衍”項目，它所取得的成果被國際同行稱贊為“計算奇跡”。該項目將開展哪些前沿研究？國產超算在其中又扮演了什么角色？《環球時報》記者就此采訪了“千衍”項目王喬研究員。

創當前國際宇宙學模擬新紀錄

“千衍”項目研究員王喬告訴《環球時報》記者，當前國際天文學的前沿研究手段包括兩個方向：一是以望遠鏡來驅動的傳統天文觀測，這就包括被稱為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）；二是近年興起的依靠超級計算機對宇宙演化進行計算模擬，它需要非常精確和大規模的數據支撐。“千衍”項目就屬于這類，相當于在超算中復刻一個虛擬宇宙。

宇宙的形成與演化始終是人類不懈探索的終極課題之一，從基礎物理連接到當前精確宇宙學的時代大規模星系巡天觀測，宇宙學數值模擬正是解開這一謎題的核心環節。“千衍”項目依托國產自主軟硬件，成功完成全球最大規模宇宙學數值模擬，構建出當前最大規模虛擬宇宙，驗證了主流宇宙學模型，展現了我國在天文模擬與高性能計算領域的頂尖實力。它的核心挑戰在于其前所未有的規模與精度——模擬在120億光年的宇宙空間尺度上，使用4.2萬億個暗物質質點，精確計算了宇宙百億年歷史中大尺度結構的演化過程，輸出上百個時間層的宇宙快照信息，包含13PB（1PB相當于1024TB）原始數據與導出數據，創下當前國際宇宙學模擬的新紀錄，為人類探索宇宙奧秘提供了強大的“數字工具”。

王喬表示，具體來說，利用超算模擬宇宙的演化，就是從大爆炸之后的宇宙早期開始，通過計算宇宙中物質的引力作用一步一步精確定量地重現宇宙結構在110億年的演化過程。在此過程中，還要結合星系形成的物理模型，給出宇宙歷史中可觀測的多種關鍵類型的星系的位置、光度、特性等重要信息，也就是模擬星系星表。這為暗物質、暗能量等前沿研究提供理論支撐，同時也能為天文觀測項目的數據分析、誤差評估提供重要參考，為科研人員提供了回溯宇宙歷史的研究方法。

“千衍”項目的成果之一就是通過與真實觀測數據相比，驗證了其計算結果的正確性與可靠性。該項目首批發表的論文之一，就以著名星系團阿貝爾2744為樣本，開展了與天文觀測數據的比較研究。這個距離地球約40億光年的星系團，是由數個較小星系團碰撞融合形成的，其復雜結構為檢驗宇宙學模型提供了絕佳樣本。在形態學初選以及校正觀測選擇場后，模擬結果與觀測數據在像素級比較中，星系數密度、亮度和投影質量的聯合分布特征高度吻合。

美國得克薩斯大學奧斯汀分校教授邁克·博伊蘭-科爾欽評價道：“當前，我們正邁入一個全新時代——大規模宇宙巡天觀測有望徹底改變人類對暗能量、宇宙暴脹及中微子性質的認知。要實現這一目標，就需要與之匹配的先進理論工具，而‘千衍’模擬便是這樣一項計算奇跡，它將助力我們從宇宙觀測中破解基礎物理的核心奧秘。該模擬擁有前所未有的體積覆蓋范圍與質量分辨率，既能精準預測大量相對常見星系在宇宙網中的分布規律，也能清晰呈現那些體積較小的模擬無法觸及的、本身稀有且極具研究價值的天體特性。未來數年，該模擬都將成為星系形成與宇宙學領域的標桿性成果。”

德國馬普天體物理研究所所長沃爾克·施普林格爾表示：“‘千衍’模擬刷新了當前數值宇宙學的發展極限。該團隊成功實現這一超大規模、高精度的模擬，令我深感震撼。憑借其強大的統計能力，我們得以對ΛCDM宇宙學模型進行全新的高精度檢驗，這對于該領域的發展至關重要。”

向公眾呈現“真實宇宙”

王喬表示，國際天文學最前沿的“星際巡天”領域，就是通過大范圍掃描天空，系統性地記錄所有可見的星系，并按照類別進行統計與計算，進而從這些觀測數據中反向推演出宇宙學信息。通過將高精度虛擬宇宙與實際觀測進行比較，“千衍”項目將為研究暗物質、暗能量等基礎宇宙學問題提供重要支撐，深化對星系演化規律的認知。同時，模擬數據也將為中國空間站巡天望遠鏡（CSST）、歐洲空間局歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）等大型巡天項目提供重要的科學支撐。

看似高大上的宇宙學模擬，其實也與公眾日常生活很貼近。王喬介紹說，數值模擬的成果雖然本質上是抽象的數據，但通過可視化處理，可以轉化為如電影般流暢、富有視覺沖擊力的圖像，直觀展示宇宙演化歷程、大尺度結構以及重要天體的形成過程，呈現出一部完整的宇宙史。基于這一特點，“千衍”項目已與北京天文館、上海天文館以及中國美術學院等多家機構開展合作，將數據轉化為影片、圖像或藝術創作，用于科普宣傳。這種方式能夠向公眾直觀、可信地呈現宇宙面貌——既有真實數據支撐，又具藝術感染力。因此，無論從科普傳播還是文化宣傳角度看，都具有積極意義。

依托國產系統開展前沿研究

宇宙學數值模擬涉及超大規模長時間的計算，通常需要在大型甚至頂級的計算機平臺上完成，由此帶來的技術挑戰也是計算天體物理與高性能計算交叉領域的重要課題。王喬介紹說，例如日本此前長期在宇宙模擬，特別是N體模擬領域具備優勢。2021年日本宇宙學模擬“宇宙”項目（Uchuu），就是運行在當時日本排名靠前的ATERUI超算上完成的。據《環球時報》記者了解，“千衍”項目的成果標志著我國宇宙學數值模擬從長期依賴國外計算資源，邁向依托國產自主系統開展前沿研究的跨越。

“千衍”項目使用國家天文臺團隊自主開發的軟件PhotoNs，依托國產超級計算機，十余年來持續開展針對算法、編程與優化的工作，并在國產超算中心實現了上萬張加速卡的長時間計算能力。其中，中科曙光為“千衍”提供了關鍵的計算與存儲支撐，在長周期、高強度的項目運行中，穩定可靠地保障了超大規模暗物質質點引力演化的持續計算；面對模擬產生的PB級海量數據，曙光存儲系統也實現了數據的高效讀寫、處理與長期安全保存。

但想要做到這一步，中國科學家也克服了諸多難題。王喬表示，要實現遠超以往規模的大規模宇宙學數值模擬，傳統軟件已無法勝任。團隊起初嘗試了國際上的成熟軟件，但面對上萬張加速卡的規模，發現這條路行不通。首先，硬件本身是全新的，需要在這套新架構上從頭做編程和開發；其次，有了新的超級計算機，傳統算法也必須隨之調整，而科學目標對精度的要求極高，必須極限壓榨算力來滿足需求。因此，從多個維度出發，他們幾乎重寫了整個流程，每個環節都要重新設計和驗證，挑戰非常大。

在計算層面，如此超大規模的運算，所面臨的核心挑戰是網絡通信與算力分配。即便擁有超算集群，也難以保證所有設備持續并行工作，部分計算資源常因等待慢速環節而閑置，形成性能瓶頸。因此“千衍”項目的科學家還需要識別并解決這些瓶頸，使所有設備充分、高效地運轉。這是高性能計算中偏重底層技術與系統優化的問題。

在科學層面，“千衍”項目同樣存在顯著挑戰。例如，團隊需處理十幾PB的數據，后續分析本身就極為復雜。實際數據產出耗時兩年多，其中包含大量細節步驟，并需借助最新觀測數據進行定標與持續改進。整個過程處于動態演進之中。目前，團隊正在準備第二期數據發布，將引入新的物理模型以生成更多數據，從而匹配當前已啟動的第四代宇宙學星系巡天觀測的要求。

王喬認為，“千衍”項目在一定程度上標志著一個重要節點：中國在數字模擬領域真正開始走向國際前沿。“可以說，這是一套全鏈條國產化的方案，并在該領域做到了領先，具有鮮明的標志性意義。”

此外，王喬也提到將整個“千衍”項目依托國產自主系統開展前沿研究的另一個好處。“只有自己主導這個項目，才能控制它的未來發展方向。我們有了現在的框架之后，可以依托它進一步豐富其內容，更自洽地完成從暗物質到發光星系之間演化的全流程推演，這是很重要的。”