听专家讲，中国如何用高性能计算复刻一个虚拟宇宙

浩瀚无垠的宇宙是如何演化的、神秘的暗物质到底发挥着什么作用……这些都是当今天文领域的热门话题。想要探索其中的奥秘，除了传统的天文观测之外，天文学家们越来越多地开始借助超级计算机的力量。近日，由中国科学院国家天文台牵头的国际团队面向全球成功推出超大规模宇宙学模拟项目——“千衍”项目，它所取得的成果被国际同行称赞为“计算奇迹”。该项目将开展哪些前沿研究？国产超算在其中又扮演了什么角色？《环球时报》记者就此采访了“千衍”项目王乔研究员。

创当前国际宇宙学模拟新纪录

“千衍”项目研究员王乔告诉《环球时报》记者，当前国际天文学的前沿研究手段包括两个方向：一是以望远镜来驱动的传统天文观测，这就包括被称为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）；二是近年兴起的依靠超级计算机对宇宙演化进行计算模拟，它需要非常精确和大规模的数据支撑。“千衍”项目就属于这类，相当于在超算中复刻一个虚拟宇宙。

宇宙的形成与演化始终是人类不懈探索的终极课题之一，从基础物理连接到当前精确宇宙学的时代大规模星系巡天观测，宇宙学数值模拟正是解开这一谜题的核心环节。“千衍”项目依托国产自主软硬件，成功完成全球最大规模宇宙学数值模拟，构建出当前最大规模虚拟宇宙，验证了主流宇宙学模型，展现了我国在天文模拟与高性能计算领域的顶尖实力。它的核心挑战在于其前所未有的规模与精度——模拟在120亿光年的宇宙空间尺度上，使用4.2万亿个暗物质质点，精确计算了宇宙百亿年历史中大尺度结构的演化过程，输出上百个时间层的宇宙快照信息，包含13PB（1PB相当于1024TB）原始数据与导出数据，创下当前国际宇宙学模拟的新纪录，为人类探索宇宙奥秘提供了强大的“数字工具”。

王乔表示，具体来说，利用超算模拟宇宙的演化，就是从大爆炸之后的宇宙早期开始，通过计算宇宙中物质的引力作用一步一步精确定量地重现宇宙结构在110亿年的演化过程。在此过程中，还要结合星系形成的物理模型，给出宇宙历史中可观测的多种关键类型的星系的位置、光度、特性等重要信息，也就是模拟星系星表。这为暗物质、暗能量等前沿研究提供理论支撑，同时也能为天文观测项目的数据分析、误差评估提供重要参考，为科研人员提供了回溯宇宙历史的研究方法。

“千衍”项目的成果之一就是通过与真实观测数据相比，验证了其计算结果的正确性与可靠性。该项目首批发表的论文之一，就以著名星系团阿贝尔2744为样本，开展了与天文观测数据的比较研究。这个距离地球约40亿光年的星系团，是由数个较小星系团碰撞融合形成的，其复杂结构为检验宇宙学模型提供了绝佳样本。在形态学初选以及校正观测选择场后，模拟结果与观测数据在像素级比较中，星系数密度、亮度和投影质量的联合分布特征高度吻合。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校教授迈克·博伊兰-科尔钦评价道：“当前，我们正迈入一个全新时代——大规模宇宙巡天观测有望彻底改变人类对暗能量、宇宙暴胀及中微子性质的认知。要实现这一目标，就需要与之匹配的先进理论工具，而‘千衍’模拟便是这样一项计算奇迹，它将助力我们从宇宙观测中破解基础物理的核心奥秘。该模拟拥有前所未有的体积覆盖范围与质量分辨率，既能精准预测大量相对常见星系在宇宙网中的分布规律，也能清晰呈现那些体积较小的模拟无法触及的、本身稀有且极具研究价值的天体特性。未来数年，该模拟都将成为星系形成与宇宙学领域的标杆性成果。”

德国马普天体物理研究所所长沃尔克·施普林格尔表示：“‘千衍’模拟刷新了当前数值宇宙学的发展极限。该团队成功实现这一超大规模、高精度的模拟，令我深感震撼。凭借其强大的统计能力，我们得以对ΛCDM宇宙学模型进行全新的高精度检验，这对于该领域的发展至关重要。”

向公众呈现“真实宇宙”

王乔表示，国际天文学最前沿的“星际巡天”领域，就是通过大范围扫描天空，系统性地记录所有可见的星系，并按照类别进行统计与计算，进而从这些观测数据中反向推演出宇宙学信息。通过将高精度虚拟宇宙与实际观测进行比较，“千衍”项目将为研究暗物质、暗能量等基础宇宙学问题提供重要支撑，深化对星系演化规律的认知。同时，模拟数据也将为中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）等大型巡天项目提供重要的科学支撑。

看似高大上的宇宙学模拟，其实也与公众日常生活很贴近。王乔介绍说，数值模拟的成果虽然本质上是抽象的数据，但通过可视化处理，可以转化为如电影般流畅、富有视觉冲击力的图像，直观展示宇宙演化历程、大尺度结构以及重要天体的形成过程，呈现出一部完整的宇宙史。基于这一特点，“千衍”项目已与北京天文馆、上海天文馆以及中国美术学院等多家机构开展合作，将数据转化为影片、图像或艺术创作，用于科普宣传。这种方式能够向公众直观、可信地呈现宇宙面貌——既有真实数据支撑，又具艺术感染力。因此，无论从科普传播还是文化宣传角度看，都具有积极意义。

依托国产系统开展前沿研究

宇宙学数值模拟涉及超大规模长时间的计算，通常需要在大型甚至顶级的计算机平台上完成，由此带来的技术挑战也是计算天体物理与高性能计算交叉领域的重要课题。王乔介绍说，例如日本此前长期在宇宙模拟，特别是N体模拟领域具备优势。2021年日本宇宙学模拟“宇宙”项目（Uchuu），就是运行在当时日本排名靠前的ATERUI超算上完成的。据《环球时报》记者了解，“千衍”项目的成果标志着我国宇宙学数值模拟从长期依赖国外计算资源，迈向依托国产自主系统开展前沿研究的跨越。

“千衍”项目使用国家天文台团队自主开发的软件PhotoNs，依托国产超级计算机，十余年来持续开展针对算法、编程与优化的工作，并在国产超算中心实现了上万张加速卡的长时间计算能力。其中，中科曙光为“千衍”提供了关键的计算与存储支撑，在长周期、高强度的项目运行中，稳定可靠地保障了超大规模暗物质质点引力演化的持续计算；面对模拟产生的PB级海量数据，曙光存储系统也实现了数据的高效读写、处理与长期安全保存。

但想要做到这一步，中国科学家也克服了诸多难题。王乔表示，要实现远超以往规模的大规模宇宙学数值模拟，传统软件已无法胜任。团队起初尝试了国际上的成熟软件，但面对上万张加速卡的规模，发现这条路行不通。首先，硬件本身是全新的，需要在这套新架构上从头做编程和开发；其次，有了新的超级计算机，传统算法也必须随之调整，而科学目标对精度的要求极高，必须极限压榨算力来满足需求。因此，从多个维度出发，他们几乎重写了整个流程，每个环节都要重新设计和验证，挑战非常大。

在计算层面，如此超大规模的运算，所面临的核心挑战是网络通信与算力分配。即便拥有超算集群，也难以保证所有设备持续并行工作，部分计算资源常因等待慢速环节而闲置，形成性能瓶颈。因此“千衍”项目的科学家还需要识别并解决这些瓶颈，使所有设备充分、高效地运转。这是高性能计算中偏重底层技术与系统优化的问题。

在科学层面，“千衍”项目同样存在显著挑战。例如，团队需处理十几PB的数据，后续分析本身就极为复杂。实际数据产出耗时两年多，其中包含大量细节步骤，并需借助最新观测数据进行定标与持续改进。整个过程处于动态演进之中。目前，团队正在准备第二期数据发布，将引入新的物理模型以生成更多数据，从而匹配当前已启动的第四代宇宙学星系巡天观测的要求。

王乔认为，“千衍”项目在一定程度上标志着一个重要节点：中国在数字模拟领域真正开始走向国际前沿。“可以说，这是一套全链条国产化的方案，并在该领域做到了领先，具有鲜明的标志性意义。”

此外，王乔也提到将整个“千衍”项目依托国产自主系统开展前沿研究的另一个好处。“只有自己主导这个项目，才能控制它的未来发展方向。我们有了现在的框架之后，可以依托它进一步丰富其内容，更自洽地完成从暗物质到发光星系之间演化的全流程推演，这是很重要的。”