量子色动力学超级计算机助力科学家“算”宇宙起源

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超级计算机助力科学家“算”宇宙起源 全国首个格点量子色动力学超算中心落户武汉

 

全国首个格点量子色动力学超算中心内部    长江日报记者李佳 摄

 

长江日报讯(记者李佳 通讯员张伟 那罡)19日,在国际国内数十位顶尖物理学家们共同见证下,由浪潮集团建设的全国首个格点量子色动力学超算中心,在华中师范大学正式运行。据介绍,该系统将帮助科学家探索宇宙起源和物质结构的奥秘,这也是迄今我国在这个研究领域内性能最快的超级计算机。

借助超级计算机“算”宇宙起源

在美国能源部下属的布鲁克海汶国家实验室,为了模拟宇宙大爆炸最初几毫秒的宇宙环境,科学家以接近光速对撞重离子,从而形成一种新的物质。科学家称之为夸克-胶子等离子体,曾在宇宙大爆炸之后数毫秒的时间内形成。这之后仍留给世人众多未解之谜——它们如何产生?

由于该物质实在太小,实验手段无法直接测量,科学家们用“格点量子色动力学”来模拟和反证宇宙大爆炸时到底发生了什么。“这需要海量的演算,pc蛋蛋,要算到什么精度呢?科学家们为了描述量子场中各种粒子的相互作用,会画形象的‘费曼图’,而这得需要几万甚至几十万个‘费曼图’。”华中师大粒子物理研究所所长王新年介绍,超级计算机就是计算高手。

有多快?十几分钟能干“别人”一天干的活

19日落户华中师大“夸克与轻子物理”教育部重点实验室的超级计算机,共有18台服务器,由浪潮设计建设。浪潮AI&HPC总经理刘军介绍,该套设备采用的加速芯片与目前全球最快超算Summit相同,计算性能超过每秒千万亿次,已进入2018年6月发布的全球最快Top500超级计算机榜单。

王新年说:“超级计算机不仅会‘算’,还会‘想’,能机器学习。比如,科学家会分析粒子探测器记录的粒子径迹图像。在华中师大,我的学科组会用人工智能手段‘教’会计算机去‘看图’。一个模拟计算需要24个小时,而有了超算中心后,该过程缩短到十几分钟。”

武汉代表中国进入宇宙溯源超算前沿

“目前,包括美国、德国在内,全球共有20个中心从事格点量子色动力学的超算工作。而至此,武汉拥有了中国最强大的一个用于格点量子色动力学计算的超算中心。”曾在李政道指导下获得博士学位的哥伦比亚大学教授诺曼·克里斯特评价说,华中师大在“格点量子色动力学”领域,本就是世界上很有竞争力的一个中心。

从2002年起,华中师大物理学院就参与了欧洲核子研究中心大型强子对撞机项目。武汉拥有该领域超算中心后,将更高程度参与国际科学合作。

长江日报讯(记者李佳 通讯员张伟 那罡)19日,在国际国内数十位顶尖物理学家们共同见证下,由浪潮集团建设的全国首个格点量子色动力学超算中心,在华中师范大学正式运行。据介绍,该系统将帮助科学家探索宇宙起源和物质结构的奥秘,这也是迄今我国在这个研究领域内性能最快的超级计算机。

借助超级计算机“算”宇宙起源

在美国能源部下属的布鲁克海汶国家实验室,为了模拟宇宙大爆炸最初几毫秒的宇宙环境,科学家以接近光速对撞重离子,从而形成一种新的物质。科学家称之为夸克-胶子等离子体,曾在宇宙大爆炸之后数毫秒的时间内形成。这之后仍留给世人众多未解之谜——它们如何产生?

由于该物质实在太小,实验手段无法直接测量,科学家们用“格点量子色动力学”来模拟和反证宇宙大爆炸时到底发生了什么。“这需要海量的演算,要算到什么精度呢?科学家们为了描述量子场中各种粒子的相互作用,会画形象的‘费曼图’,而这得需要几万甚至几十万个‘费曼图’。”华中师大粒子物理研究所所长王新年介绍,超级计算机就是计算高手。

有多快?十几分钟能干“别人”一天干的活

19日落户华中师大“夸克与轻子物理”教育部重点实验室的超级计算机,共有18台服务器,由浪潮设计建设。浪潮AI&HPC总经理刘军介绍,该套设备采用的加速芯片与目前全球最快超算Summit相同,计算性能超过每秒千万亿次,已进入2018年6月发布的全球最快Top500超级计算机榜单。

银河航天徐鸣:银河解密——nnduo卫星的本质是一台大型计算机 | CEO专栏

目前,银河空间第一颗恒星的发射已经进入倒计时阶段。发射卫星不同于其他卫星。复杂性是它固有的属性。

在接下来的两个专栏中,我将从地面开发在轨控制两个章节中恢复银河卫星整个发射过程的细节,以便卫星不再陌生。

本文是第一章。我想从卫星的功能开始,解释为什么卫星本质上是一台大型计算机。第二,我想阐明地面制造的重要性和关键点,以便每个人都能理解在哪里真正难以将“计算机”发射到天空。

本质上,卫星就是计算机。

在描述卫星发射前的制造工作之前,我们需要澄清一个关键问题。什么是卫星?

在某种程度上,卫星的本质是一台计算机,银河系正在做的事情相当于抛光地面上的太空计算机。这听起来可能太抽象了。我们可以把太空平台想象成一个IBM主机:它重约200公斤,尺寸约为1立方米。

我称卫星计算机有三个主要原因:

首先,作为一台集硬件和软件于一体的计算机,卫星本身为用户服务。它可以接收一些类似输入输出的指令集,也就是说,它可以快速响应用户服务。

其次,卫星具有自动驾驶功能。在太空中,装有卫星的天体传感器通过感应天体辐射来测量卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态和位置,从而感应其自身的运动状态。值得一提的是,时时彩平台,卫星还需要结合当前的任务要求来控制其方向。因此,这颗卫星相当于一台在太空中执行自主驾驶和实时控制的计算机。

第三,作为一台通信计算机,卫星可以在太空中完成数据转换和交换。

除了上述几点之外,卫星作为一台计算机,实际上有一个非常重要的维度,那就是通过加载功能软件来实现更好的在轨运行管理和控制,从而取代传统的更换硬件的升级方法。

以卫星热控功能为例,通常需要一台独立的热控下位机进行温度传感器采集、热控决策和加热器控制。现在,银河空间将这些结合到一个公共平台上,在这个平台上运行着用于热控制功能的操作系统和应用程序。卫星通过公共平台连接这些传感器和加热器,因此不需要独立的热控从属计算机。类似地,通过增加诸如姿态和轨道控制、卫星服务管理、电源控制等应用功能。对于通用平台,上述子系统的下位机也可以被移除,最终可以实现让下位机从卫星上消失的目的。

换句话说,在某种程度上,卫星实际上是一台在太空中驱动自己的大型计算机。该计算机不仅能快速接收指令,为客户服务,还能完成空间数据转换和交换,通过软件技术创新取代传统的硬件替换。

表面制造章节中的四个要点

虽然卫星的本质是一台大型计算机,但将这样一台计算机发射到天空并不容易。只有在逆着重力进入轨道之前,除了完成所有机电产品所需的集成测试之外,它还需要通过其他四个障碍。

首先,它是关于武力的。众所周知,卫星在发射过程中会受到加速度冲击和振动,这就要求卫星在结构设计上得到加强。总的来说,卫星在制造方面比IBM大型机越来越强大。只有这样,他们才能承受火箭发射的动态载荷。然而,我们能否承受上述机械环境影响,需要我们在地面上进行一系列振动试验,包括不同尺寸的纵向和横向试验,这是卫星制造不可或缺的一部分。

其次,它是关于热的。所谓的热量是什么?简而言之,卫星在太空中受到太阳影响的是温度变化(零下80度以上-零下100度以上)。在这种热环境的影响下,几乎所有卫星机器和电气设备的性能都会受到影响,这就要求我们在卫星温度过高时散热。当温度过低时,应进行保温或热处理,以确保卫星上的设备在设定的温度范围内工作。

对于低热耗卫星,热控制在技术上相对困难。然而,对于功率较高的小型卫星平台,重点是高功率器件的热传导和整个卫星的外部散热。为了验证卫星热控制的有效性,我们将在卫星发射前进行热真空测试。通过将热卫星放入真空舱,模拟其加热、冷却、抽真空等真实空间场景,对卫星进行各种工况下的热实验,并根据实验数据进行设计或结构调整。

接下来,我们将做好卫星防空间粒子辐射工作。我们都知道太空中有辐射。有两种辐射可能会损坏电路板:一种是重粒子,会撞击集成电路;第二是硅器件辐射的累积效应。这种辐射将永远存在。举个简单的例子,就像塑料材料不够好一样,塑料在阳光下会变形,硅器件也会变形。为此,有必要采用空间级设备或低级设备,如商用空间级或汽车级设备,以降低成本,并需要辐射防护和加固措施。应在低等级设备或加固电路板上进行辐射测试,以评估其在整个寿命期间对长期空间辐射的适应性。

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最后,它是关于电磁兼容性的。对于通信卫星,当许多微波部件集成在一起时,它们之间会发生电磁干扰。这有点类似于将两部手机放在一起造成的干扰。然而,在小型卫星中,组件通常紧密集成,电磁干扰现象更加严重。这就要求我们在专业实验和电磁干扰的初步设计、模拟和测试的各个方面都要全力以赴。

在卫星制造中,早期设计、后期开发和测试是不可分割的,商业空间也是如此。就时间比例而言,设计、开发和测试的比例约为2:1。需要强调的是,设计实际上贯穿始终。这不是一个可以在一个阶段完成的任务,而是一条完整的道路。该设计绘制外骨骼用于制造。实验发现制造过程中的工艺问题,并反馈给设计。设计得到进一步改进。三者是迭代的,并且相互促进。

银河的亮点和优势

除了跨越地面的四个障碍,卫星发射应该面临什么挑战?我们认为,必须解决卫星频率和轨道资源的供需矛盾。

从某种程度上来说,银河空间的第一颗恒星将是中国乃至世界上第一颗使用qv通信波段的低轨宽带卫星。

目前,Ku波段资源已经饱和。随着频率协调难度的增加,国际商用通信卫星通信有效载荷在继续使用传统的C波段和Ku波段的基础上,逐渐发展到频率更高的Ka波段。

可以预测,未来对商用卫星带宽资源的需求将继续增长,Ka波段资源将变得越来越拥挤。Q/ V波段(Q/ V band)作为毫米波波段最适合卫星通信业务的波段,带宽更宽(银河空间本身使用的带宽约为5千兆赫),单个网关站可以管理更多的用户波束,这也是有效减少地面网关站数量和控制系统成本的重要手段之一。

其次,银河空间更加注重性价比。我们将使用相对便宜的设备来实现大约0.05度的控制精度,这在小型卫星中是相对先进的水平。对性价比的进一步深入分析将揭示其本质在于高层次的设计。在这方面,银河做出了巨大努力:2名副司长、7名研究办公室主任和20多名被空间系统认可的首席设计师,远远高于他们的同行。

在未来商业空间已经到来的大环境下,从成立的第一天起,银河空间将把航天工业从原来的单件模式转变为批量模式作为我们的主要战略。这有点像福特制造丁字车,把一辆依靠手工打磨的车变成装配线。在这方面,我认为银河空间在地面上研究还需要两年时间。

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