面向PETA尺度的宇宙大尺度湍流数值模拟和原位可视化

Understanding the formation and evolution of galaxies and large scale structure of the universe requires comprehensive and detail studies of local physical processes occurred in the cosmic gravitational clustering，among which, production mechanism and development of turbulence on the cosmic scales is one of important and challenge issues confront by the modern computational hydrodynamics. Based on the hybrid N-body/Hydrodynamics code - WIDGEON (Weno for Intergalactic medium, Dark matter, Galaxies Evolution and formatiON), a parallel high performance version will be developed to be suitable for running in more than ten-thousand cores on Petascale supercomputer. The new parallel cosmological code - P-WIDGEON will be implemented with the state-of-art computational and visualization technology including famous HPC framework Charm++, fault tolerance, GPU acceleration and in-situ visualization and matches the architecture of Chinese Petascale supercomputers. This research project is expected to advance our understanding of production mechanism of turbulence on the cosmic scales, the energy balance budget and mass-bias, as well as turbulent transportation of matter/energy in clusters of galaxies. Meanwhile it will demonstrate a paradigm of scientific research incorporated with the advanced computer simulation and visualization techniques.

对星系和宇宙大尺度结构形成和演化的认识迫切需要对局域物理过程有深入细致的了解，而关于宇宙大尺度湍流的产生和发展的研究是其重要研究课题之一。在本项目中，我们将在自主研发的暗物质与流体模拟代码WIDGEON的基础上，实现万核级并行算法改造。使之能利用千万亿次计算能力实现暗物质与流体的大规模耦合计算。同时，我们将基于知名的高性能计算框架Charm++推出全新的计算宇宙学框架软件P_WIDGEON，这一软件将适应于国产千万亿次超级计算机的体系结构特点，实现包含容错算法设计、GPU加速、原位可视化计算分析等重要功能。期待通过该项研究，可以加深对引力坍缩过程大尺度湍流的产生机制、星系团的能量平衡方案和质量偏袒、湍流产生的物质和能量输运等问题的了解; 同时，为综合采用先进计算模拟技术和动态可视化分析开展科学研究提供一个范例。

对星系和宇宙大尺度结构形成和演化的认识迫切需要对局域物理过程有深入细致的了解，而关于宇宙大尺度湍流的产生和发展的研究是其重要研究课题之一。在本项目中，（1）我们探讨了若干种具有高阶精度、低耗散和低色散的混合型数值方法, 并开展数值检验；在此基础上，开展了宇宙大尺度流体动力学过程的数值模拟应用研究; （2) 在自主研发的暗物质与流体模拟代码WIDGEON的基础上，实现了基于Charm++框架的流体线程级并行算法、GPU/MIC加速算法, 异构计算环境下的应用级容错算法, 核心驱动+应用共性组件+个性组件与配置的组件化框架, 原位可视化绘制算法与软件实现,使之能利用千万亿次计算能力实现暗物质与流体的大规模耦合计算, 以适用于国产千万亿次超级计算机的体系结构特点。 通过该项研究，不仅加深了对引力坍缩过程中大尺度湍流的产生机制和环境作用的了解; 同时，为综合采用先进计算模拟技术和动态可视化分析开展科学研究提供一个范例。