基于GPU集群的N体模拟技术研究

N-body simulations are essential tools for modern astronomical research. The simulation scale is expanding rapidly in recent years due to the increasingly deep research in astronomy. It causes scientists frequently to face the problem that the computation power is not enough. Current state-of-the-art general purpose graphics processing units (GPU) are the key to solve this problem. Aiming to the reality that the Gadget2, one of the most popular astronomical N-body simulation software, is lack of a mature GPU version, we are planning to upgrade our current computer cluster in Yunnan Observatories to a GPU cluster. We will also develop a new GPU version of Gadget2 based on this GPU cluster. After solving the multi-GPU problem and tree code penalization problem, we will release the mature GPU-Gadget. We will develop extension module such as MOND, STVG, and Post-Newtonian Approximation of GR for GPU-Gadget and research using FEM to optimize the current Poisson solver as well as CDM module in Gadget2. Furthermore, we will also build micro GPU clusters for personal desktop usage based on embedding GPU system with low cost and low power consumption. It will help to solve the problem that it is necessary to frequently test many different initial conditions and parameters in N-body simulation. These researches will help Chinese astronomical community to fully use the rich HPC resources in China for the world-class research results.

N体模拟是现代天文学研究的重要工具，其运算规模随着天文学研究的深入急剧提高，科学家经常面临运算能力不足的问题，现代通用图形处理器（GPU）是解决这一问题的关键。针对目前天文N体模拟常用软件包Gadget2还没有成熟GPU版本的现实，我们拟升级云南天文台现有计算机集群为GPU集群，并基于此平台开发Gadget2的GPU版，解决多GPU问题和tree code并行化问题，使GPU-Gadget成熟稳定并公开发布。我们将基于GPU-Gadget开发针对MOND、STVG、广义相对论后牛顿近似等模型的功能扩展模块，并研究用有限元法优化Gadget2现有的Poisson求解器和CDM模块。此外，我们将应用低成本低功耗的嵌入式GPU搭建用于N体模拟的个人专用桌面微集群，以解决N体模拟经常需要试验各种不同的初始条件和参数的问题。这些工作将有助于中国天文界充分利用我国丰富的超算资源获得国际一流的研究成果。

N体模拟是现代天文学研究的重要工具，其运算规模随着天文学研究的深入急剧提高，科学家经常面临运算能力不足的问题，现代通用图形处理器(GPU)是解决这一问题的关键。针对目前天文N体模拟常用软件包Gadget2还没有成熟GPU版本的现实，我们升级了云南天文台现有计算机集群为GPU集群。基于此平台，以Gadget2为主要参考，我们使用最新科学计算语言Julia开发了通用引力N体模拟软件包AstroNbodySim，实现了分布式、多进程、多线程、SIMD、和GPU等各种级别的并行化加速，从而可以代替Gadget2实现大规模天文N体模拟。该软件包已经成功开源发布并通过了Julia官方认证成为Julia标准软件包，是Julia社区第一款成功注册的天文N体模拟软件包。该软件包还额外实现了带单位数据、任意精度浮点数、自动微分、基于深度神经网络的Poisson方程求解器、MOND附加模块、潮汐瓦解事件附加模块、星系碰撞附加模块、实时可视化、自动测试等功能。该软件包将为天文学家研究更大尺度的结构和更长时间的演化提供有力的工具。这些工作将有助于中国天文界充分利用我国丰富的超算资源获得国际一流的研究成果。