ケンブリッジ大学のCOSMOSシステムが宇宙の始まりに挑む

Paul Shellard

ケンブリッジ大学の Stephen Hawking Centre for Theoretical Cosmology (CTC) において、我々は、ビッグバンから何分の1秒か後の宇宙の始まりを解明しようと務めている。宇宙論は多くの成功を収めたが、宇宙を満たす物質とエネルギーの由来について、多くの疑問が残っている。宇宙の新しい高精度の観測は、銀河、星、惑星、そして最後に我々自身などの宇宙構造の形成の根本的な原因を知るための重要な手がかりを提供している。宇宙の始まりについてのそのような質問は、常に人類を魅了した。そして、科学的な視点から、ビッグバンは最後のフロンティアを意味する。そのために、可能な限り最も高いエネルギーを徹底的に調査する。宇宙論的数値実験も、最新かつ最高のテクノロジーを使うフロンティアである。その分析は、計算技術にとっても挑戦的である。

CTCで我々は宇宙論の理論を開発し、ヨーロッパで最大の単一イメージの共有メモリー型スーパーコンピューターCOSMOSを使用して観測されたデータに対して理論をテストする。 COSMOSは、英国国立ディラックHPC施設の一部である。それは、地球外生命の探索を含めたさまざまなプロジェクトに取り組んでいる英国の12以上の異なる大学での研究者の幅広いグループに不可欠なツールとなっている。

宇宙論における我々の最も劇的な成功は、ビッグバンに由来する宇宙マイクロ波背景輻射（CMB）から来ている。 CMBの観察は、初期宇宙のスナップショットを見ているようなものである。 2009年に打ち上げられたPlanck衛星は、宇宙の最高のCMBマップを提供しており、2013年に現在までの宇宙のパラメータの最精度の測定値が得られた。我々の理論をテストするためにPlanckのデータを分析することは、コスモスのようなスーパーコンピュータを用いてのみ行うことができる大規模なタスクである。

CMB観測の最近の分析では、宇宙論学者がインフレーションと呼ぶ、宇宙初期の指数関数的な膨張について、初期宇宙で発生した予測を確認する。インフレーション、非常に小さな変化、または量子揺らぎの間に、空間 – 時間の組織が発生した。これらは後に我々が今、宇宙で見るすべての構造の生成のための種となった。これらの変動の基本的な性質を確立し、宇宙論におけるインフレーションは、基礎科学の中で最も重要な目標を実現する方法についての重要な手がかりを提供するであろう。だから、COSMOSのようなスーパーコンピュータは、宇宙の太古の時代の理解に重要である。

多くのスーパーコンピュータは、ネットワークでつながれた小さい計算システムのクラスタであるが、COSMOSは巨大な並列コンピューティングPCのような単一のシステムである。我々の仕事にとって、その区別が重要である。我々がすべきこと大部分は、ソフトウェアコードの開発である。 COSMOSの柔軟な共有メモリ－・アーキテクチャは、この目的のために理想的である。それは我々の研究者が最初に革新的なコードに焦点を当て、彼らの理論を証明しながら、自作のソフトウェアでの効率的な並列処理を開発できる。彼らは、コードの並列処理がアプリケーションを動作させるために、より重要になる大規模な分散システムのためのプログラミングよりもはるかに簡単にCOSMOSに自分のラップトップで作業から行くことができます。

Xeon Phiコプロセッサによって、30倍の高速化を実現

COSMOSの上で開発された多くのコードと、コンソーシアムの研究者によって書かれたコードの両方の実績あるコードを我々は使う。我々は、2012年にCOSMOSに加えられたIntel Xeon Phiコプロセッサーを使うために、例えばWALLSのような開発済みのコードを移植している。そして現在、WALLSコードを30倍に高速化できた。即ち、我々は、COSMOSを使って、より早く発見でき、より大規模な問題を解ける。我々にとって、Intelのサポートは重要である。

COSMOSはCMB、全天の特にPlank衛星地図と我々の仕事のために必須であることが判明した。データの大きさは管理可能であるが、計算量は手ごわいから、科学的な情報を抽出するのに必要である。たとえば、我々は三点相関関数によって記述統計を見ているとき、我々は、単一のPlanckマップ内千万画素以内描くことができ、すべての可能な三角形からすべての寄与を追加する必要があります。素朴には、これは、複雑な操作を1021セットです！これらの計算は、テストし、体系的な実験の影響を排除するために何回もシミュレートし、繰り返す必要があるので、強引な (brute force) 方法では不可能である。わずか3点相関データ300万コア – 時間を要した計算する。シングルコアではそれは300年以上かかるだろう。我々は、300日以内にそれを解決できるようにする必要があった。

COSMOSを用いて、急速に発展し、所定の解像度まで、初めて、完全な三点相関を計算するメソッドを実装することができた。これは宇宙の異なる3点のセット間の接続があるかどうかをテストし、「空の三角形」を見た統計である。インテルXeon Phiコプロセッサへの我々のPlanckパイプラインにおける計算「ホットスポット」を移植する我々は、実質的に将来的に分解能を大きく向上させることを確認する。ターンアラウンドタイムを短縮している。我々は、COSMOSなしに、Planckマップを分析した実験だけでは、宇宙の前世代を分析できなかったであろう。

COSMOS上で実施されてもう一つの大きなプロジェクトは、太陽系外惑星の雰囲気中の特定の分子（EXOMOLプロジェクト）の分光署名の研究である。これらの署名は、太陽系外惑星の同定と、地球外生命を助けることができる大気があるかかどうかである。

新しいものを開発しながらCOSMOSおよびIntelコプロセッサでは、研究者やプログラマは継続的に、インテルXeon Phiための我々の重要なコードの最適化に取り組んでいる。我々の期待は、最適化およびXeon Phi に移植すると、すべての我々の宇宙論的場の理論コードは、WALLSのように、同様に大規模なスピードアップの可能性である。我々は現在、今後12ヵ月間、CMB分析作業の多くの割合を、コプロセッサへ移す。初めての2点3点の相関分析を実現する見通しに興奮している。