專訪北師大張同傑教授：用「天河二號」超級計算機研究宇宙學

2017年6月5日出版的《自然·天文學》雜誌上，刊登了通訊作者為北京師範大學天文系教授張同傑的高水平學術論文。這是北師大天文系成立以來作為第一單位發表在《自然》子刊的第一篇研究論文。該論文的主題是用中國的超級計算機「天河二號」進行宇宙學的數值模擬研究。這也是「天河二號」超級計算機建立以來發表的通訊作者和第一作者都是中國人的、雜誌影響因子最高的學術論文。

為此，蝌蚪五線譜獨家專訪了北京師範大學天文系的張同傑教授。

「天河二號」超級計算機

2013年底，國防科技大學研製成功的「天河二號」計算機在國家超級計算廣州中心投入運行。「天河二號」超級計算機是目前世界上最快的計算機之一，具有5.49億億次/秒的峰值浮點運算速度、1.4P的內存、12.4P的硬碟存儲和16000個節點（超過300萬個Intel計算核）的高性能，曾經連續6次登上國際TOP500組織公布的最新全球超級計算機500強排行榜榜首。該超級計算機可以輕易地用窮舉法在1秒內破解到我們的銀行卡密碼，它的硬碟能夠放下6000億冊10萬字的圖書，因此其耗電也是相當驚人，天河2號每年所產生的電費就接近1億人民幣。

張同傑說：「我們這個研究是在天河二號剛開始運行的時候就開始做的，這個項目主要是在天河二號上模擬了整個宇宙的演化歷程，探討了有質量中微子的宇宙學性質。」

張同傑教授與「天河二號」超級計算機

中微子的宇宙學意義

在宇宙的整個演化過程中，中微子的參與有舉足輕重的貢獻。而中微子是在宇宙大爆炸之後約一秒鐘後與其他宇宙學成分脫離關係，宇宙學術語叫做「中微子發生退耦」。退耦後的中微子形成宇宙的背景，成為宇宙演化的參與者和見證者。

張同傑告訴蝌蚪五線譜，中微子是自然界中的基本粒子之一。目前的物理實驗和天文觀測都無法精確測量單個中微子的質量。但因為中微子是有質量的，所以它有引力效應，也會影響宇宙的演化。

由宇宙學的原初核合成理論可以推測，中微子分為三代。而且，據此也可以限制出三代中微子的質量之和。中微子在宇宙學的能量動量張量中表現為一種非各向同性的粘滯項。這是一個由於引力產生的粘滯效應。

張同傑教授告訴蝌蚪五線譜，中微子在星繫結構形成中的作用是可以壓低小尺度上的功率譜。通過這個，可以測出中微子的總質量，但是無法測量單個中微子的質量。

如何做模擬計算

2015年，張同傑研究團隊啟用了「天河二號」全系統中的1萬4千個結點，共計運算50多個小時，成功地運行了含有中微子和暗物質的3萬億粒子數的宇宙學數值模擬。在這個模擬中，研究團隊使用了單個中微子的質量下限0.05eV。

張同傑告訴蝌蚪五線譜，在模擬計算中，他們取了1.2Gpc/h邊長的立方體來代表宇宙的一部分，然後使用周期性邊界條件（把這個正方體的上下左右前後都設置相同的邊界條件）。在這樣一個巨大的方盒子里，把中微子當作是非相對論性的粒子，然後考慮它們之間的引力相互作用就可以正式模擬宇宙的演化了。

張同傑告訴蝌蚪五線譜，在他們的模擬中，代表中微子的粒子的質量和暗物質粒子的質量是根據科學研究的需要人為設定的。因為是計算機數值模擬，很多參數只能是人為去設定，模擬本身不能給出這些質量參數。

「我們就是利用引力作用下的N體問題， 再加上表示膨脹的背景宇宙的演化， 來模擬計算中微子與暗物質之間的引力相互作用。」張同傑說。

有趣的事情

張同傑告訴蝌蚪五線譜，在這個研究工作中最有趣的事情是他們發現了中微子在宇宙結構形成中的凝聚效應。 中微子質量可以通過宇宙中含有不同中微子丰度的區域中星系的特性來測量。相對於「貧」中微子區域，在「富」中微子區域，更多的中微子被大質量暗物質結構俘獲。這種凝聚效應導致暗物質結構的質量函數的改變，最終導致星系的特性發生變化，為宇宙學觀測開闢了一條獨立測量中微子質量的道路。這個是別人都沒有提出來過的新概念。

張同傑認為，本次超級計算機的模擬結論可以在將來與天文望遠鏡巡天觀測的數據進行比對，校對天文巡天對中微子質量的限制。

困難的事情

本次模擬計算在「天河二號」運行了50多個小時，用了5000萬核時。整個研究過程剛開始的時候是在2015年，那時候天河二號剛剛投入運行不長時間，是一台新機器，張同傑說：「這就好像一輛高鐵， 它剛剛投入使用，它要開著空車跑，需要磨合一段時間才能適應複雜的路況與天氣情況。」

對張同傑研究團隊來說，這個磨合就是程序與超級計算機之間的磨合，以及超級計算機計算結點之間的通訊磨合。一開始在模擬計算的時候，計算結點經常斷掉，結點與結點之間的通訊存在問題。計算過程中幾百個結點掉下來，程序就停了。

程序停了以後，就需要來解決這些問題。經過超算工程人員和研究人員的一起努力，最後14000個計算結點（天河二號總的計算結點是16000個，這次模擬相當於動用了90%的計算資源）連續運行了10個小時以後，整個計算狀態良好，張同傑研究團隊與天河二號工程人員都覺得非常振奮。

除了上面說的計算過程中遇到的困難，另外一個困難則是經費問題（比如，超級計算機的使用需要花費大量的電費）。這個項目首先得到了國家自然科學基金委的支持，此後北京師範大學自主科研基金和北師大天文系的學科建設經費也給予了極大的支持，以及後來的廣東省與國家自然科學基金委聯合基金也給了很多支持。但總體來說，如果要擴大計算規模，模擬更多的粒子，張同傑覺得在計算經費上還是有點「捉襟見肘。」

張同傑教授向蝌蚪五線譜表示，目前我們國家建成了一些超級計算機，除了「天河二號」，還有「神威·太湖之光」等。他希望他們的宇宙學模擬計算工作能夠讓大家意識我們國家超級計算機在世界上佔據優勢。我們國家的超級計算機在國際上領先的時間窗口已經打開，機不可失，時不再來，需利用這段時間做出有價值的科學研究。同時他希望能有更多的人關注宇宙學模擬這一新興領域，對宇宙了解的越深入，我們人類的視野也會越開闊。總得說來，現在是一個可以使用超級計算機來仰望星空的新時代。

本篇采寫 蝌蚪五線譜 張軒中

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