| 高端計算在美國國家航空航天局的許多任務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，推動著我們對宇宙--從我們自己的星球到最遙遠(yuǎn)的角落--認(rèn)識的進(jìn)步。 超級計算機(jī)為廣泛的研究提供動力，包括研究太陽活動及其對地球上的技術(shù)和生命的影響，為突破性的天氣和氣候科學(xué)開發(fā)基于人工智能的模型，以及重新設(shè)計阿耳特彌斯二號發(fā)射臺以安全地將宇航員送入太空。 這些舉措只是美國國家航空航天局在高性能計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和分析國際會議（SC24）上重點介紹的創(chuàng)新成果的一小部分。 美國國家航空航天局科學(xué)任務(wù)局副局長尼古拉-?？怂梗∟icola"Nicky"Fox）博士于11月19日發(fā)表了題為"美國國家航空航天局的高影響力科學(xué)與探索愿景"的主旨演講。 在演講中，她探討了NASA如何利用超級計算為科學(xué)、探索和人類帶來益處。 下面是美國國家航空航天局（NASA）在會議上展示的一些令人興奮的工作： 阿耳特彌斯一號發(fā)射模擬顯示了太空發(fā)射系統(tǒng)火箭的尾流如何與空氣、水和發(fā)射臺相互作用。 表面的顏色表示壓力水平--紅色表示高壓，藍(lán)色表示低壓。 茶色等值線表示有水的地方。 資料來源：NASA/Chris DeGrendele、Timothy Sandstrom 1. 模擬幫助重新設(shè)計阿爾忒彌斯發(fā)射環(huán)境 美國國家航空航天局艾姆斯分局的研究人員正在幫助確保宇航員在阿耳特彌斯 II 試驗飛行中安全發(fā)射，這是太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）火箭和獵戶座飛船的首次載人飛行任務(wù)，計劃于 2025 年進(jìn)行。 利用發(fā)射上升和飛行器空氣動力學(xué)軟件，他們模擬了火箭羽流與阿耳忒彌斯一號發(fā)射期間使用的水基聲音抑制系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用，這導(dǎo)致在火箭升空前支撐火箭的移動發(fā)射平臺受損。 對啟動和未啟動水系統(tǒng)的模擬進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，聲音抑制系統(tǒng)能有效減少壓力波，但廢氣會使水轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致壓力顯著增加。 模擬在位于艾姆斯的美國宇航局高級超級計算設(shè)施的艾特肯超級計算機(jī)上運行，產(chǎn)生了約400兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。 這些數(shù)據(jù)被提供給了位于佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的美國宇航局航空工程師，他們正在重新設(shè)計火焰導(dǎo)流板和移動發(fā)射器，用于阿耳特彌斯II的發(fā)射。
在這張飛機(jī)設(shè)計對比圖中，左翼是飛機(jī)的初始幾何形狀，右翼則是優(yōu)化后的形狀。 表面按飛機(jī)上的氣壓著色，橙色表面代表氣流中的沖擊波。 右翼上的優(yōu)化設(shè)計模型比原來的阻力減少了 4%，從而提高了燃油效率。 資料來源：美國國家航空航天局/布蘭登-羅威 2. 優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計以提高燃油效率 為了幫助提高商業(yè)飛行的效率和可持續(xù)性，位于加利福尼亞州硅谷的美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的研究人員和工程師們正在努力改進(jìn)飛機(jī)設(shè)計，通過微調(diào)機(jī)翼、機(jī)身和其他飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的形狀來減少空氣阻力或阻力。 這些改變將降低飛行所需的能量，減少所需的燃料量，減少排放，提高飛機(jī)的整體性能，并有助于降低機(jī)場周圍的噪音水平。 研究人員正在利用美國國家航空航天局在艾姆斯開發(fā)的發(fā)射、上升和飛行器空氣動力學(xué)計算建模軟件，利用該局超級計算機(jī)的強(qiáng)大功能運行數(shù)百次模擬，探索現(xiàn)有飛機(jī)和未來飛行器概念的各種設(shè)計可能性。 他們的工作表明，現(xiàn)有商用飛機(jī)設(shè)計的阻力有可能減少 4%，從而在實際應(yīng)用中節(jié)省大量燃料。
利用美國宇航局費米太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，在美國宇航局艾特肯超級計算機(jī)上運行的脈沖星磁層三維模擬。 紅色箭頭表示恒星磁場的方向。 藍(lán)色線條追蹤高能粒子，產(chǎn)生的伽馬射線為黃色。 綠線代表撞擊觀察者平面的光粒子，說明費米如何探測脈沖星伽馬射線。 資料來源：美國國家航空航天局/康斯坦丁諾斯-卡拉波塔拉科斯 3. 模擬和人工智能揭示中子星的迷人世界 為了探索中子星內(nèi)部的極端條件，位于馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的研究人員正在利用模擬、觀測和人工智能相結(jié)合的方法來揭開這些非同尋常的宇宙天體的神秘面紗。 中子星是恒星爆炸后的死亡內(nèi)核，是宇宙中密度最大的天體。 在NASA高級超級計算設(shè)施的超級計算機(jī)上運行的尖端模擬有助于解釋NASA的費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡和中子星內(nèi)部成分探測器（NICER）觀測站觀測到的現(xiàn)象。 這些現(xiàn)象包括被稱為脈沖星的快速旋轉(zhuǎn)、高度磁化的中子星，其詳細(xì)的物理機(jī)制自發(fā)現(xiàn)以來一直是個謎。 通過應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能工具，科學(xué)家們可以從 NICER 和費米天文臺獲得的數(shù)據(jù)中推斷出恒星的質(zhì)量、半徑、磁場結(jié)構(gòu)和其他特性。 這些前所未有的模擬結(jié)果將指導(dǎo)對黑洞和其他太空環(huán)境的類似研究，并在塑造未來科學(xué)太空任務(wù)和任務(wù)概念方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
這幅可視化圖片比較了MERRA-2再分析數(shù)據(jù)（左）與NASA和IBM的Prithvi WxC基礎(chǔ)模型（右）在沒有特定訓(xùn)練的情況下預(yù)測的4級颶風(fēng)艾達(dá)的路徑。 兩個模型均于 2021-08-27 00 UTC 初始化。 資料來源：阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校/Ankur Kumar；美國國家航空航天局/Sujit Roy 4. 將人工智能應(yīng)用于天氣和氣候 傳統(tǒng)的天氣和氣候模型是通過求解地球大氣層和海洋中數(shù)百萬個小區(qū)域（網(wǎng)格框）的數(shù)學(xué)方程來產(chǎn)生全球和區(qū)域結(jié)果的。 美國國家航空航天局及其合作伙伴目前正在探索更新的方法，利用人工智能（AI）技術(shù)來訓(xùn)練基礎(chǔ)模型。 基礎(chǔ)模型是利用大型、無標(biāo)記的數(shù)據(jù)集開發(fā)的，因此研究人員可以針對不同的應(yīng)用對結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，例如創(chuàng)建預(yù)測或預(yù)測天氣模式或氣候變化，只需最少的額外培訓(xùn)即可獨立完成。 美國國家航空航天局（NASA）與IBM研究院合作開發(fā)了開源、公開可用Prithvi天氣-氣候基礎(chǔ)模型（Prithvi WxC）。 Prithvi WxC 是在 NASA 高級超級計算設(shè)施的最新 NVIDIA A100 GPU 上使用 NASA 現(xiàn)代研究和應(yīng)用回顧分析 (MERRA-2) 數(shù)據(jù)集的 160 個變量進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的。 Prithvi WxC擁有23億個參數(shù)，能夠以高分辨率模擬各種天氣和氣候現(xiàn)象，如颶風(fēng)路徑。 其應(yīng)用包括有針對性的天氣預(yù)測和氣候預(yù)測，以及表現(xiàn)重力波等物理過程。
來自三維模擬的圖像，顯示太陽上層氣流的演變，紅色顯示的是最劇烈的運動。 這些湍流可以產(chǎn)生磁場，激發(fā)聲波、沖擊波和爆發(fā)。 圖片來源：NASA/Irina Kitiashvili 和 Timothy A. Sandstrom 5. 太陽活動建模--從微觀到宏觀 太陽活動會產(chǎn)生太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等事件，影響空間環(huán)境并造成空間天氣干擾，從而干擾地球上的衛(wèi)星電子設(shè)備、無線電通信、全球定位系統(tǒng)信號和電網(wǎng)。 美國國家航空航天局艾姆斯分局的科學(xué)家們制作了高度逼真的三維模型，首次讓他們能夠從非常小的尺度到非常大的尺度來研究太陽等離子體的物理特性。 這些模型有助于解釋來自美國國家航空航天局（NASA） 太陽動力學(xué)天文臺（SDO）等航天器的觀測數(shù)據(jù)。 科學(xué)家們在NASA高級超級計算設(shè)施的超級計算機(jī)上使用NASA的StellarBox代碼，提高了我們對太陽噴流和龍卷風(fēng)--太陽大氣中極熱、帶電等離子體的爆發(fā)--起源的理解。 這些模型使科學(xué)界能夠解決有關(guān)太陽磁活動及其如何影響空間天氣的長期問題。
這幅全球地圖是動畫中的一幀，展示了 2020 年 1 月至 3 月期間風(fēng)的模式和大氣環(huán)流如何使二氧化碳穿過地球大氣層。 DYAMOND 模型的高分辨率顯示了二氧化碳排放的獨特來源，以及它們?nèi)绾卧诟鞔笾藓秃Ｑ笾袛U(kuò)散。 圖片來源：NASA/科學(xué)可視化工作室 6. 科學(xué)可視化使 NASA 數(shù)據(jù)易于理解 美國國家航空航天局（NASA）的模擬和觀測會產(chǎn)生數(shù)以 PB 計的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的原始形式很難理解。 位于美國宇航局戈達(dá)德分部的科學(xué)可視化工作室（SVS）通過與科學(xué)家密切合作，創(chuàng)建電影般的高保真可視化效果，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為洞察力。 這些 SVS 作品的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施包括位于戈達(dá)德的 NASA 氣候模擬中心的 Discover 超級計算機(jī)，該計算機(jī)可進(jìn)行各種模擬，并提供數(shù)據(jù)分析和圖像渲染功能。 最近的數(shù)據(jù)驅(qū)動可視化顯示了利用多尺度大氣-太空環(huán)境（MAGE）模型從太陽射出的日冕物質(zhì)撞擊地球磁層的情況；在非靜水域大氣環(huán)流模型（DYAMOND）模型中環(huán)繞地球的全球二氧化碳排放情況；以及利用厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）模型對拉尼娜和厄爾尼諾天氣模式的描述。 編譯自/ScitechDaily |
