ابررایانه‌های ناسا چطور فهم ما از عالم را متحول کرده‌اند؟ معرفی شش روش جنجالی

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

این پروژه‌ها فقط نمونه‌ای از انبوه پروژه‌هایی هستند 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 بخش مأموریت‌های علمی ناسا، در این نمایشگاه سخنرانی اصلی با عنوان «چشم‌انداز ناسا برای علوم و اکتشافات پرتأثیر» را ارائه کرد. او در این سخنرانی روش‌هایی را که ناسا از ابررایانه‌ها برای اکتشاف کیهان به نفع همگان استفاده می‌کند، شرح داد.

در ادامه اندکی بیشتر با آنچه ناسا در کنفرانس اخیر به اشتراک گذاشت، آشنا می‌شویم.

شبیه‌سازی‌ محیط پرتاب مأموریت آرتمیس

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

آنها با استفاده از نرم‌افزارهای «Launch Ascent» و «Vehicle Aerodynamics»، تعاملات پیچیده بین خروجی موتور موشک و سیستم مهار صدا مبتنی‌بر آب را که در پرتاب آرتمیس I استفاده شده بود، شبیه‌سازی کردند. این پرتاب منجر به آسیب به سکوی پرتاب متحرکی شد که موشک را پیش از پرتاب پشتیبانی می‌کرد.

مقایسه شبیه‌سازی‌ها با و بدون فعال‌سازی سیستم‌های مهار صدا نشان داد که این سیستم به‌طور مؤثر امواج فشار را کاهش می‌دهد ولی گازهای خروجی می‌توانند مسیر آب را منحرف کنند و فشار را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهند. این شبیه‌سازی‌ها که روی ابررایانه «آیتکن» در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا شدند، حدود ۴۰۰ ترابایت داده تولید کرد. این داده‌ها به مهندسان هوافضا در مرکز فضایی کندی ناسا در فلوریدا ارائه شد، جایی که آنها درحال بازطراحی منحرف‌کننده شعله و پرتابگر متحرک برای پرتاب مأموریت آرتمیس II هستند.

بهینه‌سازی طراحی هواپیما با هدف بهره‌وری در مصرف سوخت

برای کمک به کارایی و پایداری بیشتر پروازهای تجاری، پژوهشگران و مهندسان مرکز پژوهشی ایمز ناسا در کالیفرنیا درحال بهینه‌سازی طراحی هواپیماها هستند تا مقاومت هوا را با اصلاح شکل بال‌ها، بدنه‌ها و سایر اجزای ساختاری هواپیما کاهش دهند. این تغییرات می‌تواند انرژی موردنیاز برای پرواز، مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها را کاهش دهد. همچنین عملکرد کلی هواپیما را بهبود بخشد و به کاهش میزان صدای اطراف فرودگاه‌ها کمک کند.

با استفاده از نرم‌افزارهای محاسباتیِ مدل‌سازی پرتاب، صعود و آیرودینامیک که در ناسا توسعه یافته است، پژوهشگران از توان ابررایانه‌های ناسا بهره می‌برند تا صدها شبیه‌سازی را برای بررسی انواع امکانات طراحی، چه برای هواپیماهای موجود چه مدل‌های مفهومی آینده، اجرا کنند. کار آنها نشان داده می‌توان در طراحی فعلی هواپیمای تجاری، مقاومت هوا را تا ۴ درصد کاهش داد که به معنای صرفه‌جویی قابل‌توجه در مصرف سوخت است.

استفاده 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 تولید می‌کنند. ناسا و شرکای آن هم‌اکنون رویکردهای جدیدتری را بررسی می‌کنند که از تکنیک‌های هوش مصنوعی برای آموزش مدل پایه استفاده می‌کند.

مدل‌های پایه با استفاده از مجموعه داده‌های بزرگ توسعه داده می‌شوند تا محققان بتوانند نتایج را برای کاربردهای مختلفی -مانند پیش‌بینی‌ یا الگوهای آب‌وهوایی یا تغییرات اقلیمی- مستقل 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 توسعه داده است. این مدل با استفاده از ۱۶۰ متغیر از پایگاه‌داده «MERRA-2» ناسا، روی جدیدترین پردازشگرهای گرافیکی A100 انویدیا در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا پیش‌آموزش دیده است.

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

شبیه‌سازی‌ها جهان شگفت‌انگیز ستاره‌های نوترونی را آشکار می‌کنند

برای بررسی شرایط عجیب درون ستاره‌های نوترونی پژوهشگران مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا از ترکیبی از مشاهده، شبیه‌سازی و هوش مصنوعی برای کشف اسرار این اجرام آسمانی فوق‌العاده استفاده می‌کنند. ستاره‌های نوترونی هسته مرده ستارگانی هستند که منفجر شده‌اند و از متراکم‌ترین اجرام جهان هستی به حساب می‌آیند.

شبیه‌سازی‌های پیشرفته که روی ابررایانه‌های مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا می‌شوند، به توضیح پدیده‌هایی کمک می‌کنند که از طریق تلسکوپ فضایی پرتو گاما «فِرمی» و رصدخانه‌ «NICER» مشاهده شده‌اند.

با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی مانند شبکه‌های عصبی عمیق، دانشمندان می‌توانند جرم، شعاع، ساختار میدان مغناطیسی و سایر ویژگی‌های ستاره‌ها را استنتاج کنند. نتایج بی‌سابقه این شبیه‌سازی‌ها نه‌فقط تحقیقات مشابه 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 مانند شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم از تاج خورشیدی، محیط فضایی را تحت‌تأثیر قرار داده و موجب اختلال در آب‌وهوای فضایی می‌شود که می‌تواند بر قطعات الکترونیکی ماهواره‌ها، ارتباطات رادیویی، سیگنال‌های GPS و شبکه‌های برق روی زمین تأثیر بگذارد. دانشمندان مرکز ایمز ناسا مدل‌های سه‌بعدی بسیار واقعی را با کمک ابررایانه‌ها تولید کرده‌اند که اولین‌ بار به آنها امکان می‌دهد فیزیک پلاسمای خورشیدی را در مقیاس‌های بسیار کوچک تا بسیار بزرگ بررسی کنند. این مدل‌ها به تفسیر مشاهدات فضاپیماهای ناسا مانند رصدخانه دینامیک خورشیدی (SDO) کمک می‌کنند.

دانشمندان با استفاده از کد «StellarBox» ناسا روی ابررایانه‌ها، درک ما از منشأ جت‌ها و توفان‌های خورشیدی - فوران پلاسماهای فوق‌العاده داغ و باردار در جو خورشید - را بهبود بخشیده‌اند. این مدل‌ها به جامعه علمی اجازه می‌دهند به پرسش‌های دیرینه درباره فعالیت‌های مغناطیسی خورشید و تأثیر آن بر آب‌وهوای فضایی پاسخ دهند.

تجسم علمی با ابررایانه‌ها داده‌های ناسا را قابل‌درک می‌کند

شبیه‌سازی‌ها و مشاهدات ناسا با کمک ابررایانه‌ها می‌توانند چندین پتابایت داده تولید کنند که درک 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 اصلی برای این تولیدات SVS شامل ابررایانه «Discover» در مرکز شبیه‌سازی اقلیم ناسا در گادرد است که میزبان انواع شبیه‌سازی‌ها بوده و امکان تحلیل داده‌ها و تفسیر تصاویر را فراهم می‌کند.