Самый быстрый в мире суперкомпьютер смоделировал супералмаз

Самый быстрый в мире суперкомпьютер помог исследователям смоделировать синтез материала, более твердого и прочного, чем алмаз или любое другое вещество на Земле.

В исследовании использовалась суперкомпьютерная система HPE Cray EX Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США, чтобы предсказать наиболее вероятную стратегию синтеза такого материала, который, как считается, существует только внутри гигантских экзопланет. Эксафлорная скорость Frontier, превышающая 1 квинтиллион вычислений в секунду, впервые сделала цель достижимой.

«Это главная задача физики высокого давления», — сказал Иван Олейник, ведущий автор исследования и профессор физики Университета Южной Флориды. «Это наша версия философского камня, который, как полагали средневековые алхимики, превратил бы свинец в золото, если бы они только смогли его найти. Но у алхимиков не было Фронтира».

Алмазы образуются, когда экстремальная температура и давление сжимают атомы углерода вместе, образуя самый твердый материал на нашей планете. Драгоценные камни не только украшают изысканные ювелирные изделия, но и служат на самых ответственных промышленных объектах по всему миру.

Горнодобывающие бригады пробивают коренную породу бурами с алмазными наконечниками. Граверы используют алмазные ножи и пилы, чтобы делать надрезы в кварце и граните. Вам нужно огранить алмаз? Только другой алмаз сможет выполнить эту работу.

Ученые предположили, что на других планетах существует еще более твердое вещество — супералмаз, известный как BC8, состоящий из восьми атомов углерода (вместо четырех в алмазе). Экстремальные давления и температуры в ядре экзопланеты, в два раза превышающей размер Земли, могут создать необходимые условия для производства таких материалов.

Синтез BC8 в лабораторных условиях может открыть новую перспективу промышленных возможностей благодаря материалу, который тверже самого твердого в природе.

Усилия не потребуют «многого» — давление «всего лишь» в 10 миллионов раз должно превышать давление земной атмосферы, а температуру должна быть равна температуре на поверхности Солнца. Различные эксперименты пытались создать BC8, но они потерпели неудачу, и все это стоило огромных затрат.

«Это непростые условия, которые очень сложно создать даже один раз, не говоря уже о сотнях или тысячах раз, чтобы определить, какой подход может сработать», — сказал Иван Олейник. «Мы знали, что для того, чтобы предсказать, что может потребоваться для синтеза этого вещества, нам понадобится очень точный способ моделирования этих сложных взаимодействий между атомами углерода в образце из миллиарда атомов в различных условиях. Ни одна из традиционных классических межатомных или квантовых моделей не может предложить такую ​​детализацию в таком масштабе».

Чтобы достичь такого уровня точности, команда исследователей обучила новую межатомную модель машинного обучения, используя обширный кэш квантово-механических данных о различных состояниях углерода, включая BC8. «По сути, мы зарегистрировали каждую атомную среду вокруг каждого атома в системе из миллиарда атомов, что могло возникнуть в ходе эволюции системы при экстремальных давлениях и температурах», — сказал Иван Олейник.

Только экзафлопсная суперкомпьютерная система, такая как Frontier, может обеспечить вычислительную мощность, необходимую для достижения квантовой точности, одновременно эффективно моделируя миллиард атомов с помощью модели машинного обучения.

«Без Frontier это было бы невозможно», — сказал Иван Олейник. «Для этого исследования нам нужно было смоделировать более миллиарда атомов, выполнив при этом до миллиона временных шагов при моделировании молекулярной динамики. У нас был доступ к другим суперкомпьютерам, но ни один из них не имел достаточной вычислительной мощности, чтобы обработать такое количество атомов».

Традиционные суперкомпьютерные архитектуры, основанные на процессорах, увязли при попытке запустить программный модуль крупномасштабного атомно-молекулярного массово-параллельного симулятора, или LAMMPS, код, используемый учеными в таких крупных симуляциях. Frontier и его гибридная архитектура, построенная на сочетании процессоров и графических процессоров, обеспечили ускорение в 50 раз по сравнению с самыми быстрыми конкурентами на базе процессоров.

Исследовательская группа использовала LAMMPS на Frontier, чтобы сгенерировать ряд потенциальных сценариев и смоделировать условия, которые могут привести к образованию BC8. Эти условия включали давление от 0 до 20 мегабар — в 20 миллионов раз превышающее атмосферное давление на Земле на уровне моря — и температуру от 0 до 10 000 К, что почти в два раза выше, чем на поверхности Солнца.

Вычислительная мощность Frontier позволила исследователям запустить код LAMMPS за один день — около 24 часов — с использованием 8000 из более чем 9400 узлов Frontier.

В исследовании были зафиксированы моментальные снимки динамики миллиардов атомов с отметкой времени и атомарным разрешением для каждой половины фемтосекунды — примерно квадриллионной доли секунды — каждого сценария. Frontier позволил исследовательской группе предсказать трансформацию алмаза в BC8 и наблюдать атомный механизм этой трансформации в масштабе. Моделирование показало, что алмаз сначала плавится; затем BC8 образуется из горячей плотной углеродной жидкости.

«В этом смысле это новое открытие, поскольку в большинстве случаев материалы переходят из одной кристаллической фазы в другую путем согласованной перестройки атомной структуры», — говорят ученые.

«Но углеродные связи, из которых состоит алмаз, настолько прочны, что нам приходится плавить алмаз, чтобы превратить его в новую кристаллическую фазу BC8. Это добавляет еще один уровень к этому процессу с еще более экстремальными давлениями и температурами — в 12 миллионов раз превышающим давление земной атмосферы и 5000 К, что близко к температуре поверхности Солнца. Как нам соединить все эти материальные состояния в таких экстремальных условиях и при этом достичь желаемого результата?»

Ученые обнаружили, что, хотя сильная волна сжатия, известная как ударная волна, может создавать высокие давления и температуры, эти условия, как правило, не идеальны для синтеза BC8.

«Мы обнаружили, что этого невозможно сделать одним ударом. Поэтому мы использовали моделирование, чтобы спроектировать последовательность ударов волн, которые доводят алмаз до тех температур и давлений, которые необходимы для синтеза BC8».

Команда ученых начала проверять свои выводы, пытаясь синтезировать BC8 в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. «Благодаря Frontier у нас есть хорошие шансы на успех», — сказал Иван Олейник. «Это по-прежнему сложная задача без каких-либо гарантий, но мы очень уверены в результатах».