“天河”叩問暗物質：史無前例的大計算

　　 幾天來，一則科學新聞引起了國內外的關注。北京師范大學天文系張同杰教授團隊在國家超級計算廣州中心（下稱“超算中心”）“天河二號”上，模擬了宇宙從大爆炸之后1600萬年開始至今的約137億年的漫長演化過程。為此，記者來到位于廣州大學城的超算中心，請超算中心主任袁學鋒先生對此進行深入解讀。

　　揭示中微子對宇宙形成的影響

　　袁學鋒主任一見面就對記者說，這次張同杰團隊的計算是在春節期間完成的。其實還有許多數據正在處理中，最后的結果還沒有完全出來。這是一次全世界史無前例的超級計算。袁學鋒為我們解釋，這次在“天河二號”上模擬宇宙大爆炸之后1600萬年至今的演化過程，主要是通過中微子、暗物質，以及中微子與暗物質的比對來計算的。

　　關于中微子，袁學鋒說，在粒子物理標準模型中有三類中微子，1998年中微子振蕩實驗現象表明其質量不為零, 但是利用物理實驗測量中微子的質量非常困難。目前地面中微子振蕩實驗給出了三類中微子的質量的平方差；宇宙學的觀測也只能評估中微子的總質量上限值。2012年，由我國高能所王貽芳所長主持的大亞灣反應堆中微子實驗發現了中微子第三種振蕩模式， 被國際粒子物理界評價為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。預計2019年底建成并投入運行的江門中微子實驗，力圖解決中微子研究領域的下一個熱點和重大問題：中微子質量順序。迄今為止物理實驗和宇宙學觀測都不能測量中微子質量順序和每一類中微子的絕對質量，因此中微子質量是物理學與天體物理宇宙學中亟待解決的重大問題之一。

　　宇宙中微子由于其速度相對于暗物質而言較高， 因此會通過中微子自由穿梭效應影響宇宙在小尺度上形成的結構。與純暗物質形成的宇宙結構不同，結果體現在中微子會壓低小尺度結構的功率譜，不同質量的中微子其壓低程度也不同。有質量中微子的宇宙學效應要求在暗物質存在條件下精確計算其非線性結構演化和功率譜，并且需要利用極大數目的粒子進行模擬以降低中微子分布的泊松噪聲，達到區分不同質量的中微子的宇宙學效應，這就對計算機內存和計算速度有更高的要求。“天河二號”超級計算機就能滿足這樣的要求。

　　“天河二號”超級計算機是世界上最快的計算機，具有5.49億億次/秒的峰值浮點運算速度、1.4P的內存、12.4P的硬盤存儲和16000個節點（超過300萬個Intel計算核）的高性能，曾經連續4次登上國際TOP500組織公布的最新全球超級計算機500強排行榜榜首。“天河二號”超級計算機能夠克服上述計算困難，運行粒子數超世界紀錄的宇宙學高分辨率數值模擬，已實現區分不同中微子質量的宇宙學效應的目的。

　　可望獲得中微子研究的世界級成果

　　袁學鋒告訴記者，超算中心成立不久，于2013年12月就組建了以北京師范大學天文系張同杰宇宙學團隊作為首席單位，加拿大理論天體物理研究所（Canadian Institute for Theoretical Astrophysics）的Ue-Li Pen宇宙學團隊，北京大學KIAA 與CITA聯合博士后于浩然團隊，中科院高能物理研究所邢志忠中微子理論研究團隊，國防科學技術大學計算機科學團隊（廖湘科、杜云飛等）聯合提出了旨在利用精確宇宙學數值模擬研究宇宙中微子的宇宙學研究團隊。該團隊利用宇宙大尺度結構的N體數值模擬程序，使用我國的超級計算機運行世界上最大的3萬億粒子數的暗物質和中微子數值模擬，以期待配合未來的宇宙學觀測數據，在國際上率先在中微子質量順序及其絕對質量的限制上取得突破。

　　袁學鋒說，利用2015年大學寒假期間，宇宙學研究團隊啟用了“天河二號”全系統中的1萬4千個結點，共計運算50多個小時，成功地運行了含有中微子和暗物質的3萬億粒子數的宇宙學數值模擬, 遠超之前1.5萬億粒子數的世界紀錄，成為目前世界上運行粒子數最多的N體數值模擬。團隊在“天河二號”上模擬了宇宙從大爆炸之后1600萬年開始至今天的約137億年的漫長演化過程，產生了大于PB級的科學數據。在運算過程中，“天河二號”1萬4千個結點連續10小時開展宇宙中微子計算而不出故障，再一次體現了“天河二號”的穩定可靠。

　　目前計算結果正在分析之中，期待著在不久的將來能夠利用模擬出的結果揭示中微子在宇宙演化中作用的詳細細節，進一步在宇宙中微子質量順序及其絕對質量限制上取得重要進展。這將會使我國科學家繼發現中微子第三種振蕩模式之后再次在中微子研究方面取得世界級成果，這對于中國宇宙學數值模擬研究和“天河二號”超級計算機的科學應用具有重要的劃時代的意義。

　　袁學鋒還特別指出，由于留在“天河二號”中的關于中微子的數值模擬數據在世界上是獨一無二的，科研用戶基于此數據還可以開展一系列其他關于中微子對宇宙結構形成的影響的科學研究，科學成果將會在國際宇宙學界產生影響。廣州超算中心將以此為契機，啟動宇宙科學領域的大數據匯聚、存儲、管理、分析和應用服務。

　　開辟云超算時代

　　“天河二號”集高性能計算、大數據分析和云計算于一體，是具有鮮明“云超算”特征及資源和性能優勢的超級計算機系統。作為國家信息化建設的大基礎設施和公共服務平臺，廣州超算中心肩負五項使命：一是加速學科交叉和信息化發展，促進原始創新；二是加速產業轉型與融合，孕育新興產業；三是匯聚世界一流智力，培養復合型人才；四是支撐智慧城市建設，造就信息化社會；五是探索市場化科技服務新體制。成功完成含有中微子和暗物質的3萬億粒子數的宇宙學數值模擬只是“天河二號”在大科學領域里又一個典型應用實例。廣州超算中心全力促進“政產學研用”深度結合，著力突破學科與行業間的壁壘，積極營造云超算創新生態圈，加速建設六大云超算應用服務平臺，即材料科學與工程計算平臺、生物計算與個性化醫療平臺、裝備的全數字設計與制造平臺、能源及相關技術數字化設計平臺、天文地球科學與環境工程平臺、智慧城市大數據和云計算平臺。同時積極促進高性能計算、大數據和云計算應用與多學科、多行業領域的深度融合以及應用成果轉化，大力提高自主創新能力，大膽探索寓高性能計算于云平臺的市場化服務模式，加強互聯網技術在云超算服務中的應用深度和廣度，催生新穎業態，大力培育用戶互連網創客社區，營造利用“天河二號”云超算平臺開展“大眾創業、萬眾創新”的新局面，努力打造涌現智慧產品的“夢工坊”，著力開辟“互聯網+”經濟的云超算時代。