ابررایانه‌ها چطور فهمیدن ما از عالم را منقلب کرده‌اند؟_دریای تکنولوژی

در ناسا، پردازش‌های سطح بالا و پیشرفته برای تعداد بسیاری از مأموریت‌های آژانس الزامی است. منفعت گیری از ابررایانه‌ها به ما پشتیبانی می‌کند فهمیدن خود از عالم -از زمین تا دورترین نقاط کیهان- را گسترش دهیم. ابررایانه‌‌ها پروژه‌هایی را در عرصه‌های گوناگون تحقیقاتی مقدور می‌کنند. ازجمله کشف فعالیت‌های خورشیدی که بر فناوری‌های فضایی و زندگی روی زمین تأثیر می‌گذارد، تشکیل مدل‌های مبتنی‌بر هوش مصنوعی برای علوم نوآورانه‌ آب‌وهوا و اقلیم و پشتیبانی به طراحی مجدد سکوی پرتابی که قرار است فضانوردان را با مأموریت آرتمیس II به فضا بفرستد.

این پروژه‌ها فقط مثالای از زیاد پروژه‌هایی می باشند که در نمایشگاه ناسا در کنفرانس بین‌المللی «پردازش‌های سطح بالا، شبکه‌سازی، ذخیره‌سازی و تحلیل» یا (SC24) به نمایش گذاشته شدند. دکتر «نیکولا فاکس»، معاون مدیر قسمت مأموریت‌های علمی ناسا، در این نمایشگاه سخنرانی مهم با گفتن «چشم‌انداز ناسا برای علوم و اکتشافات پرتأثیر» را اراعه کرد. او در این سخنرانی راه حلهایی را که ناسا از ابررایانه‌ها برای اکتشاف کیهان به سود همگان منفعت گیری می‌کند، شرح داد.

در ادامه اندکی زیاد تر با آنچه ناسا در کنفرانس تازه به اشتراک گذاشت، آشنا می‌شویم.

همانند‌سازی‌ محیط پرتاب مأموریت آرتمیس

پژوهشگران «مرکز ایمز» (Ames) ناسا به ضمانت ایمنی پرتاب فضانوردان در پرواز آزمایشی «آرتمیس II»، اولین مأموریت سرنشین‌دار موشک سامانه پرتاب فضایی (SLS) و فضاپیمای اوریون، پشتیبانی می‌کنند. این مأموریت برای سال ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی شده است.

آنها با منفعت گیری از نرم‌افزارهای «Launch Ascent» و «Vehicle Aerodynamics»، تعامل های پیچیده بین خروجی موتور موشک و سیستم مهار صدا مبتنی‌بر آب را که در پرتاب آرتمیس I منفعت گیری شده می بود، همانند‌سازی کردند. این پرتاب تبدیل صدمه به سکوی پرتاب متحرکی شد که موشک را پیش از پرتاب حمایتمی‌کرد.

قیاس همانند‌سازی‌ها با و بدون فعال‌سازی سیستم‌های مهار صدا نشان داد که این سیستم به‌طور مؤثر امواج سختی را افت می‌دهد ولی گازهای خروجی می‌توانند مسیر آب را منحرف کنند و سختی را به مقدار قابل‌توجهی افزایش دهند. این همانند‌سازی‌ها که روی ابررایانه «آیتکن» در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا شدند، نزدیک به ۴۰۰ ترابایت داده تشکیل کرد. این داده‌ها به مهندسان هوافضا در مرکز فضایی کندی ناسا در فلوریدا اراعه شد، جایی که آنها درحال بازطراحی منحرف‌کننده شعله و پرتابگر متحرک برای پرتاب مأموریت آرتمیس II می باشند.

بهینه‌سازی طراحی هواپیما با مقصد منفعت‌وری در مصرف سوخت

برای پشتیبانی به کارایی و پایداری زیاد تر پروازهای تجاری، پژوهشگران و مهندسان مرکز پژوهشی ایمز ناسا در کالیفرنیا درحال بهینه‌سازی طراحی هواپیماها می باشند تا مقاومت هوا را با اصلاح شکل بال‌ها، بدنه‌ها و دیگر اجزای ساختاری هواپیما افت دهند. این تغییرات می‌تواند انرژی موردنیاز برای پرواز، مصرف سوخت و انتشار کردن آلاینده‌ها را افت دهد. این چنین کارکرد کلی هواپیما را بهبود بخشد و به افت مقدار صدای اطراف فرودگاه‌ها پشتیبانی کند.

با منفعت گیری از نرم‌افزارهای محاسباتیِ مدل‌سازی پرتاب، صعود و آیرودینامیک که در ناسا گسترش یافته است، پژوهشگران از توان ابررایانه‌های ناسا منفعت می‌برند تا صدها همانند‌سازی را برای بازدید انواع امکانات طراحی، چه برای هواپیماهای حاضر چه مدل‌های مفهومی آینده، اجرا کنند. کار آنها نشان داده می‌توان در طراحی جاری هواپیمای تجاری، مقاومت هوا را تا ۴ درصد افت داد که به معنی صرفه‌جویی قابل‌دقت در مصرف سوخت است.

منفعت گیری از هوش مصنوعی در پیش‌بینی آب‌وهوا

مدل‌های سنتی آب‌وهوا با حل معادلات ریاضی برای میلیون‌ها ناحیه کوچک (باکس‌های شبکه‌ای) در جو و اقیانوس‌های زمین نتایج جهانی و منطقه‌ای تشکیل می‌کنند. ناسا و شرکای آن هم‌اکنون رویکردهای جدیدتری را بازدید می‌کنند که از تکنیک‌های هوش مصنوعی برای آموزش مدل پایه منفعت گیری می‌کند.

مدل‌های پایه با منفعت گیری از مجموعه داده‌های بزرگ گسترش داده خواهد شد تا محققان بتوانند نتایج را برای کاربردهای مختلفی -همانند پیش‌بینی‌ یا الگوهای آب‌وهوایی یا تغییرات اقلیمی- جدا گانه و با حداقل آموزش اضافی تنظیم کنند.

ناسا با همکاری «IBM Research» مدلی پایه‌ای با نام «آب‌وهوا – اقلیم پریتوی» (Prithvi WxC) را به‌صورت متن‌باز و در دسترس عموم گسترش داده است. این مدل با منفعت گیری از ۱۶۰ متغیر از پایگاه‌داده «MERRA-2» ناسا، روی تازه ترین پردازشگرهای گرافیکی A100 انویدیا در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا پیش‌آموزش دیده است.

پریتوی WxC با ۲ میلیارد و ۳۰۰ میلیون پارامتر، می‌تواند اتفاق‌های متنوع آب‌وهوایی و اقلیمی -همانند مسیر طوفان‌های گرمسیری- را با وضوح‌ بالا مدل‌سازی کند. کاربردهای آن شامل پیش‌بینی موثر آب‌وهوا، پیش‌بینی اقلیم، و نمایش فرایندهای فیزیکی همانند امواج گرانشی است.

همانند‌سازی‌ها جهان شگفت‌انگیز ستاره‌های نوترونی را آشکار می‌کنند

برای بازدید شرایط شگفت درون ستاره‌های نوترونی پژوهشگران مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا از ترکیبی از مشاهده، همانند‌سازی و هوش مصنوعی برای کشف اسرار این اجرام آسمانی بسیار منفعت گیری می‌کنند. ستاره‌های نوترونی هسته مرده ستارگانی می باشند که منفجر شده‌اند و از متراکم‌ترین اجرام جهان هستی به حساب می‌آیند.

همانند‌سازی‌های پیشرفته که روی ابررایانه‌های مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا خواهد شد، به توضیح اتفاق‌هایی پشتیبانی می‌کنند که از طریق تلسکوپ فضایی پرتو گاما «فِرمی» و رصدخانه‌ «NICER» مشاهده شده‌اند.

با منفعت گیری از ابزارهای هوش مصنوعی همانند شبکه‌های عصبی عمیق، دانشمندان می‌توانند جرم، شعاع، ساختار میدان مغناطیسی و دیگر ویژگی‌های ستاره‌ها را استنتاج کنند. نتایج بی‌سابقه این همانند‌سازی‌ها نه‌فقط تحقیقات شبیه درمورد سیاه‌چاله‌ها و دیگر محیط‌های فضایی را هدایت خواهد کرد، بلکه نقشی اساسی در شکل‌دهی مأموریت‌های علمی و فضایی آینده دارد.

مدل‌سازی فعالیت‌های خورشید با ابررایانه‌ها

فعالیت خورشید شامل رویدادهایی همانند شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم از تاج خورشیدی، محیط فضایی را تحت‌تأثیر قرار داده و جهت اختلال در آب‌وهوای فضایی می‌بشود که می‌تواند بر قطعات الکترونیکی ماهواره‌ها، ارتباطات رادیویی، سیگنال‌های GPS و شبکه‌های برق روی زمین تأثیر بگذارد. دانشمندان مرکز ایمز ناسا مدل‌های سه‌بعدی زیاد واقعی را با پشتیبانی ابررایانه‌ها تشکیل کرده‌اند که اولین‌ بار به آنها امکان می‌دهد فیزیک پلاسمای خورشیدی را در مقیاس‌های زیاد کوچک تا زیاد بزرگ بازدید کنند. این مدل‌ها به تفسیر مشاهدات فضاپیماهای ناسا همانند رصدخانه دینامیک خورشیدی (SDO) پشتیبانی می‌کنند.

دانشمندان با منفعت گیری از کد «StellarBox» ناسا روی ابررایانه‌ها، فهمیدن ما از منشأ جت‌ها و توفان‌های خورشیدی – فوران پلاسماهای بسیار داغ و باردار در جو خورشید – را بهبود بخشیده‌اند. این مدل‌ها به جامعه علمی اجازه خواهند داد به سوال‌های دیرینه درمورد فعالیت‌های مغناطیسی خورشید و تأثیر آن بر آب‌وهوای فضایی جواب دهند.

تجسم علمی با ابررایانه‌ها داده‌های ناسا را قابل‌فهمیدن می‌کند

همانند‌سازی‌ها و مشاهدات ناسا با پشتیبانی ابررایانه‌ها می‌توانند چندین پتابایت داده تشکیل کنند که فهمیدن آنها به شکل اولیه دشوار است. استودیوی تجسم علمی (SVS) مستقر در مرکز گادرد ناسا، با همکاری نزدیک با دانشمندان، این داده‌ها را به‌شکل تجسم‌های سینمایی با وضوح‌ بالا تبدیل می‌کند.

زیرساخت مهم برای این تولیدات SVS شامل ابررایانه «Discover» در مرکز همانند‌سازی اقلیم ناسا در گادرد است که میزبان انواع همانند‌سازی‌ها بوده و امکان تحلیل داده‌ها و تفسیر تصاویر را فراهم می‌کند.