Superpočítač Frontier a AI mění vědu: Odhalují tajemství supernov a urychlují vývoj fúzních reaktorů

Američtí vědci využili nejvýkonnější exascale superpočítač na světě, Frontier, k odhalení magnetické turbulence v plazmatu, což je dlouhodobě jeden z nejnáročnějších problémů fyziky.

Američtí vědci využili nejvýkonnější exascale superpočítač na světě, Frontier, k odhalení magnetické turbulence v plazmatu, což je dlouhodobě jeden z nejnáročnějších problémů fyziky. Výzkumníci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Ministerstva energetiky (DOE) použili modely umělé inteligence k trénování tohoto superpočítače, aby přesně zachytil chaotické chování plazmatu.

Výsledky naznačují, že tento objev by mohl zásadně změnit výzkum a zlepšit způsob, jakým vědci modelují exploze supernov. Zároveň by mohl výrazně přispět k vývoji účinnějších jaderných fúzních reaktorů. Eliu Huerta, PhD, počítačový vědec z Argonne National Laboratory, který studii vedl, uvedl, že tato schopnost byla dlouho snem astrofyziků a mnoha dalších vědců. Jde o první případ, kdy bylo dosaženo takové úrovně vhledu prostřednictvím umělé inteligence u systémů této složitosti.

Magnetohydrodynamická (MHD) turbulence je komplexní a chaotický proces, který určuje, jak se elektricky nabité plyny (plazma) chovají pod vlivem magnetických polí. Tyto turbulentní proudy se vyskytují v celém vesmíru, formují sluneční erupce, exploze supernov a dokonce i magnetické prostředí Země. Přesné modelování MHD turbulence však zůstávalo velkou výzvou, protože tradiční metody se spoléhaly na zjednodušené rovnice, které opomíjely jemné detaily.

Vědci se s touto výzvou vypořádali pomocí dvoufázového přístupu. Nejprve se neuronový operátor informovaný fyzikou učí chování plazmatu a mapuje, jak se systém vyvíjí v čase. Poté nastupuje difuzní model, který rekonstruuje jemnější detaily, čímž regeneruje malé víry a rychlé fluktuace, které definují turbulentní proudění. Trénování modelů pro generování tisíců detailních simulací plazmatu vyžadovalo obrovský výpočetní výkon, a proto tým získal přístup k superpočítači Frontier.

Frontier, třetí nejrychlejší exascale superpočítač na světě, je schopen provádět více než dvě kvintiliony výpočtů za sekundu. Tato rychlost umožnila simulace, které byly dříve nedosažitelné. Semih Kacmaz, student, který projekt vedl, zdůraznil, že Frontier byl pro ně klíčový pro generování vysoce věrných datových sad k trénování difuzního modelu a neuronových operátorů. Díky jeho rychlosti se týmu podařilo trénovat neuronové operátory k zachycení celkové MHD turbulence, zatímco difuzní model se učil jemnější detaily. Společně tyto AI modely dokázaly simulovat turbulenci.

Výsledkem je systém, který dokáže produkovat vysoce detailní předpovědi turbulence během několika sekund, a to s více než polovičním snížením chyb oproti předchozím metodám. Eliu Huerta závěrem uvedl, že je to poprvé, co umělá inteligence dokázala věrně modelovat magnetizovanou turbulenci za tak extrémních podmínek. Spojením neuronových operátorů informovaných fyzikou s generativní difuzí vytvořili rámec, který respektuje rovnice a zároveň obnovuje plnou složitost plazmatu. Tým nyní plánuje rozšířit model tak, aby zvládal složitější systémy, včetně plných 3D simulací plazmatu a astrofyzikálních prostředí, a také aplikace, jako je modelování turbulence v jaderných fúzních reaktorech.