世界最快超级计算机竟能模拟飞机湍流创纪录

研究人员正在利用世界上最快的计算机来推进湍流模拟技术。湍流是一种常见现象，从我们经历的颠簸的飞机旅程到早上咖啡中观察到的漩涡运动，它以各种方式影响着我们的日常生活。

佐治亚理工学院的一个团队正在简化的环境中研究湍流物理学，旨在增进对自然和工程的理解。

这项新研究借助世界上第一台百亿亿次级计算机“前沿”，以高达 35 万亿个网格点这一创纪录的分辨率引入了新的湍流模拟能力。

在许多科学领域，人们曾认为这种规模的计算是不可能的，但现在我们做到了，或许比预期的还要早。” 佐治亚理工学院丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院的教授 P.K. 杨在一份声明中说道。

上个月，Frontier 协助 橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员解决了长达十年之久的钙 - 48 磁性之谜。

流体湍流在时间和 3D 空间的各种尺度上都有不规则的波动，这是一个复杂的科学问题，也是高性能计算中的一大挑战。

技术虽已进步，但理解湍流仍颇具挑战性。因其不可预测，显著的波动可能会对自然和技术系统产生不利影响，所以对其展开研究至关重要。

直接数值模拟（DNS）通过求解质量和动量的精确方程，是研究 湍流 最有效的方法。然而，DNS 需要大量的处理能力，尤其是在进行高分辨率模拟时。

自 21 世纪初起，处理能力迅速提升，让研究人员能够以更高的分辨率开展模拟，特别是对于简单的流体流动场景。

当 Frontier 上线时，佐治亚理工学院的团队能够在橡树岭国家实验室对其进行访问。此外，美国能源部科学办公室的 INCITE 计划为计算机提供了大量的时间槽。快速运算的图形处理单元（GPU）是 Frontier 强大性能的主要来源。

Frontier 由 AMD 的 CPU 和 GPU 构成，通过 HPE 的 Slingshot 互连技术在蜻蜓网络中实现连接。

该研究重点在于运用 3D 快速傅里叶变换（FFT）来开展直接数值模拟（DNS），以对流体湍流进行模拟，这是一个资源高度集中需求的过程。

当 DNS 应用于像周期性立方体这类简化的几何形状时，其效果最为显著，这对于研究小尺度的湍流是非常理想的。

与之前的系统相比，Frontier 强大的计算能力能够实现更高效的模拟，降低了 CPU 和 GPU 内存之间的数据移动需求。

该研究强调了湍流模拟方面的进展，达到了 35 万亿个网格点的分辨率水平。

分辨率为 32768³ 的模拟所拥有的网格点数量比之前的记录多 5.6 至 8 倍。

研究人员声称，这种高分辨率使得在湍流研究中取得重要进展成为可能。

它能够处理诸如混合、化学反应、粒子运动和磁场之类的复杂现象，并在小规模建模中实现更高的精度。

该研究的目标是在解决数据传输问题的同时，有效地将模拟扩展到数千个 Frontier 节点上。未来软件和硬件的发展可能会进一步改进这些模拟。

专门为 Frontier 创建的 GESTS 代码套件能够对极端规模的湍流予以模拟，并在未来的粒子跟踪和标量传输方面具有潜在用途。

该团队声称，他们在湍流模拟方面的工作还展示了高级 GPU 编程的关键原则，这在其他领域或许颇具价值，特别是那些依赖于伪谱方法的领域。

“通过与国家科学基金会支持的约翰霍普金斯湍流数据库项目合作进行公共数据共享，我们极端规模模拟所产生的科学影响预计会得到进一步增强，”杨在一份声明中说。