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O Departamento de Energia dos Estados Unidos expôs esta semana como pretende colocar seu poder de supercomputação para funcionar, simulando os blocos de construção fundamentais do universo.
Os elétrons, prótons e nêutrons que compõem os átomos, dos quais toda a matéria é composta, são bastante bem compreendidos. No entanto, as partículas que compõem essas partículas – léptons, quarks e bósons – permanecem misteriosas e objeto de investigação científica em andamento.
Uma doação de US$ 13 milhões do programa Descoberta Científica por meio de Computação Avançada (SciDAC) do Departamento de Energia visa expandir nossa compreensão das coisas extraordinariamente minúsculas que existem dentro das partículas dentro dos átomos.
Tanto quanto os cientistas podem dizer, quarks e glúons – o material que os mantém juntos – não podem ser mais decompostos. Eles são literalmente os blocos de construção fundamentais de toda a matéria. Lembre-se, é claro, de que os cientistas já pensaram o mesmo sobre os átomos, então quem sabe onde isso pode levar.
A iniciativa contará com várias instalações do DoE – incluindo Jefferson, Argonne, Brookhaven, Oak Ridge, Lawrence Berkeley e Los Alamos National Labs, que colaborarão com o MIT e William & Mary – para avançar os métodos de supercomputação usados para simular o comportamento de quarks e glúons dentro prótons.
O programa busca responder algumas grandes questões sobre a natureza da matéria no universo, como “qual é a origem da massa na matéria? Qual é a origem do spin na matéria”, disse Robert Edwards, vice-líder do grupo do Centro de Física Teórica e Computacional do Jefferson Labs. Strong The One.
Hoje, os físicos usam supercomputadores para gerar um “instantâneo” do ambiente dentro de um próton e usam a matemática para adicionar quarks e glúons à mistura para ver como eles interagem. Essas simulações são repetidas milhares de vezes e depois calculadas para prever como essas partículas elementares se comportam no mundo real.
Este projeto, liderado pelo Thomas Jefferson National Accelerator Facility, abrange quatro fases que visam agilizar e acelerar essas simulações.
As duas primeiras fases envolverão a otimização do software usado para modelar a cromodinâmica quântica – a teoria que governa os fótons e nêutrons – para dividir os cálculos em partes menores e aproveitar melhor os graus ainda maiores de paralelismo disponíveis nos supercomputadores de última geração.
Um dos desafios que Edwards e sua equipe estão trabalhando agora é como aproveitar os crescentes recursos de ponto flutuante das GPUs sem encontrar gargalos de conectividade ao escalá-los.
“Boa parte de nossos esforços tem tentado encontrar algoritmos que evitem a comunicação e diminuir a quantidade de comunicação que precisa sair dos nós”, disse ele.
Uma boa parte de nossos esforços tem tentado encontrar algoritmos que evitam a comunicação
A equipe também está procurando aplicar princípios de aprendizado de máquina para parametrizar as distribuições de probabilidade no centro dessas simulações. De acordo com Edwards, isso tem o potencial de acelerar drasticamente os tempos de simulação e também ajuda a eliminar muitos dos gargalos em torno das comunicações de nó para nota.
“Se pudéssemos escalá-lo, seria como o Santo Graal para nós”, disse ele.
Além de usar os modelos existentes, a terceira fase do projeto envolverá o desenvolvimento de novos métodos para modelar a interação de quarks e glúons em um universo gerado por computador. A fase final pegará as informações coletadas por esses esforços e as usará para começar a expandir os sistemas para implantação em supercomputadores de última geração.
De acordo com Edwards, as descobertas desta pesquisa também têm aplicações práticas para pesquisas adjacentes, como o acelerador de feixe de elétrons contínuo do Jefferson Lab ou o colisor relativístico de íons pesados do Brookhaven Lab – dois dos instrumentos usados para estudar quarks e glúons.
“Muitos dos problemas que estamos tentando resolver agora, como infraestrutura de código e metodologia, afetarão o [electron-ion collider],” ele explicou.
O interesse do DoE em otimizar seus modelos para tirar proveito de supercomputadores maiores e mais poderosos surge no momento em que a agência recebe um cheque de $ 1,5 bilhão do governo Biden para atualizar seus recursos computacionais. ®
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