Группа американских учёных использовала суперкомпьютер экзафлопсного класса El Capitan для проведения крупнейшего в истории моделирования гидродинамики. В рамках одной задачи вычислительной гидродинамики (CFD) было обработано более одного квадриллиона степеней свободы.

Моделирование было сфокусировано на изучении выхлопов ракетных двигателей, но разработанный метод применим и к широкому кругу задач — от прогнозирования шума самолётов до биомедицинской гидродинамики. В частности, учёные изучали взаимодействие выхлопных струй нескольких ракетных двигателей, работающих одновременно, моделируя турбулентное истечение газов.

Учёные добились 80-кратного увеличения скорости расчётов по сравнению с предыдущими методами, в 25 раз уменьшили объём используемой памяти и более чем в 5 раз снизили энергозатраты. Объединив эффективность алгоритмов с архитектурой чипов El Capitan, они показали, что моделирование такого масштаба можно выполнить за часы, а не за недели. За эту работу коллектив авторов стал финалистом конкурса на премию ACM Gordon Bell Prize 2025 года — высшей награды в области высокопроизводительных вычислений.

Источник: Spencer Bryngelson / Georgia Tech

Для решения сложнейшей задачи моделирования турбулентного потока выхлопных газов, образующегося при одновременной работе нескольких ракетных двигателей, был использован новый метод регуляризации ударных волн, получивший название Information Geometric Regularization (IGR).

При моделировании команда достигла более 500 квадриллионов степеней свободы, используя все 11 136 узлов и более 44 500 процессоров APU AMD Instinct MI300A на El Capitan. Позже расширили моделирование на суперкомпьютере Frontier в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), преодолев рубеж в один квадриллион степеней свободы.

Полученные результаты воспроизводят динамику выхлопных газов сложной конфигурации, созданной по образу ускорителя Super Heavy компании SpaceX.

Проведённое моделирование устанавливает новый эталон для экзафлопсной производительности и эффективности памяти в вычислительной гидродинамике. Оно открывает путь к разработке ракет с использованием компьютерного моделирования, заменяя дорогостоящие и ограниченные физические эксперименты предиктивным моделированием с беспрецедентным разрешением.

В условиях развития частной космонавтики, как отмечают авторы, в ракетах-носителях всё чаще используются массивы компактных двигателей с высокой тягой, а не несколько крупных ускорителей. Такая конструкция обеспечивает преимущества в производстве, резервирование двигателей и упрощает транспортировку, но также создает новые проблемы. Когда десятки двигателей работают вместе, они взаимодействуют сложным образом, что может привести к возврату раскалённых газов к основанию ракеты, угрожая успеху миссии. Новая технология моделирования позволит более эффективно решать эту проблему.