“天河”叩问暗物质：史无前例的大计算

　　 几天来，一则科学新闻引起了国内外的关注。北京师范大学天文系张同杰教授团队在国家超级计算广州中心（下称“超算中心”）“天河二号”上，模拟了宇宙从大爆炸之后1600万年开始至今的约137亿年的漫长演化过程。为此，记者来到位于广州大学城的超算中心，请超算中心主任袁学锋先生对此进行深入解读。

　　揭示中微子对宇宙形成的影响

　　袁学锋主任一见面就对记者说，这次张同杰团队的计算是在春节期间完成的。其实还有许多数据正在处理中，最后的结果还没有完全出来。这是一次全世界史无前例的超级计算。袁学锋为我们解释，这次在“天河二号”上模拟宇宙大爆炸之后1600万年至今的演化过程，主要是通过中微子、暗物质，以及中微子与暗物质的比对来计算的。

　　关于中微子，袁学锋说，在粒子物理标准模型中有三类中微子，1998年中微子振荡实验现象表明其质量不为零, 但是利用物理实验测量中微子的质量非常困难。目前地面中微子振荡实验给出了三类中微子的质量的平方差；宇宙学的观测也只能评估中微子的总质量上限值。2012年，由我国高能所王贻芳所长主持的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子第三种振荡模式， 被国际粒子物理界评价为“开启了未来中微子物理研究的大门”。预计2019年底建成并投入运行的江门中微子实验，力图解决中微子研究领域的下一个热点和重大问题：中微子质量顺序。迄今为止物理实验和宇宙学观测都不能测量中微子质量顺序和每一类中微子的绝对质量，因此中微子质量是物理学与天体物理宇宙学中亟待解决的重大问题之一。

　　宇宙中微子由于其速度相对于暗物质而言较高， 因此会通过中微子自由穿梭效应影响宇宙在小尺度上形成的结构。与纯暗物质形成的宇宙结构不同，结果体现在中微子会压低小尺度结构的功率谱，不同质量的中微子其压低程度也不同。有质量中微子的宇宙学效应要求在暗物质存在条件下精确计算其非线性结构演化和功率谱，并且需要利用极大数目的粒子进行模拟以降低中微子分布的泊松噪声，达到区分不同质量的中微子的宇宙学效应，这就对计算机内存和计算速度有更高的要求。“天河二号”超级计算机就能满足这样的要求。

　　“天河二号”超级计算机是世界上最快的计算机，具有5.49亿亿次/秒的峰值浮点运算速度、1.4P的内存、12.4P的硬盘存储和16000个节点（超过300万个Intel计算核）的高性能，曾经连续4次登上国际TOP500组织公布的最新全球超级计算机500强排行榜榜首。“天河二号”超级计算机能够克服上述计算困难，运行粒子数超世界纪录的宇宙学高分辨率数值模拟，已实现区分不同中微子质量的宇宙学效应的目的。

　　可望获得中微子研究的世界级成果

　　袁学锋告诉记者，超算中心成立不久，于2013年12月就组建了以北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队作为首席单位，加拿大理论天体物理研究所（Canadian Institute for Theoretical Astrophysics）的Ue-Li Pen宇宙学团队，北京大学KIAA 与CITA联合博士后于浩然团队，中科院高能物理研究所邢志忠中微子理论研究团队，国防科学技术大学计算机科学团队（廖湘科、杜云飞等）联合提出了旨在利用精确宇宙学数值模拟研究宇宙中微子的宇宙学研究团队。该团队利用宇宙大尺度结构的N体数值模拟程序，使用我国的超级计算机运行世界上最大的3万亿粒子数的暗物质和中微子数值模拟，以期待配合未来的宇宙学观测数据，在国际上率先在中微子质量顺序及其绝对质量的限制上取得突破。

　　袁学锋说，利用2015年大学寒假期间，宇宙学研究团队启用了“天河二号”全系统中的1万4千个结点，共计运算50多个小时，成功地运行了含有中微子和暗物质的3万亿粒子数的宇宙学数值模拟, 远超之前1.5万亿粒子数的世界纪录，成为目前世界上运行粒子数最多的N体数值模拟。团队在“天河二号”上模拟了宇宙从大爆炸之后1600万年开始至今天的约137亿年的漫长演化过程，产生了大于PB级的科学数据。在运算过程中，“天河二号”1万4千个结点连续10小时开展宇宙中微子计算而不出故障，再一次体现了“天河二号”的稳定可靠。

　　目前计算结果正在分析之中，期待着在不久的将来能够利用模拟出的结果揭示中微子在宇宙演化中作用的详细细节，进一步在宇宙中微子质量顺序及其绝对质量限制上取得重要进展。这将会使我国科学家继发现中微子第三种振荡模式之后再次在中微子研究方面取得世界级成果，这对于中国宇宙学数值模拟研究和“天河二号”超级计算机的科学应用具有重要的划时代的意义。

　　袁学锋还特别指出，由于留在“天河二号”中的关于中微子的数值模拟数据在世界上是独一无二的，科研用户基于此数据还可以开展一系列其他关于中微子对宇宙结构形成的影响的科学研究，科学成果将会在国际宇宙学界产生影响。广州超算中心将以此为契机，启动宇宙科学领域的大数据汇聚、存储、管理、分析和应用服务。

　　开辟云超算时代

　　“天河二号”集高性能计算、大数据分析和云计算于一体，是具有鲜明“云超算”特征及资源和性能优势的超级计算机系统。作为国家信息化建设的大基础设施和公共服务平台，广州超算中心肩负五项使命：一是加速学科交叉和信息化发展，促进原始创新；二是加速产业转型与融合，孕育新兴产业；三是汇聚世界一流智力，培养复合型人才；四是支撑智慧城市建设，造就信息化社会；五是探索市场化科技服务新体制。成功完成含有中微子和暗物质的3万亿粒子数的宇宙学数值模拟只是“天河二号”在大科学领域里又一个典型应用实例。广州超算中心全力促进“政产学研用”深度结合，着力突破学科与行业间的壁垒，积极营造云超算创新生态圈，加速建设六大云超算应用服务平台，即材料科学与工程计算平台、生物计算与个性化医疗平台、装备的全数字设计与制造平台、能源及相关技术数字化设计平台、天文地球科学与环境工程平台、智慧城市大数据和云计算平台。同时积极促进高性能计算、大数据和云计算应用与多学科、多行业领域的深度融合以及应用成果转化，大力提高自主创新能力，大胆探索寓高性能计算于云平台的市场化服务模式，加强互联网技术在云超算服务中的应用深度和广度，催生新颖业态，大力培育用户互连网创客社区，营造利用“天河二号”云超算平台开展“大众创业、万众创新”的新局面，努力打造涌现智慧产品的“梦工坊”，着力开辟“互联网+”经济的云超算时代。