La potente simulación del superordenador Sandia muestra cómo los diamantes se funden bajo alta presión
Un modelo de simulación por supercomputadora llamado SNAP en los Laboratorios Nacionales Sandia en Estados Unidos predijo rápidamente el comportamiento de miles de millones de átomos que interactúan, capturando cómo los diamantes se funden bajo presión y calor extremos. A millones de atmósferas, la rígida red de carbono de la sustancia más dura conocida en la Tierra aparece como grietas en simulaciones SNAP (potencial de análisis de adyacencia espectral), se funde en carbono amorfo y luego recristaliza. El trabajo podría ayudar a comprender la estructura interna de los exoplanetas basados en carbono y tener implicaciones importantes para los esfuerzos de fusión nuclear utilizando cápsulas hechas de diamante policristalino.
"Ahora podemos estudiar cuántos materiales reaccionan bajo las mismas presiones extremas", dijo Aidan Thompson, científico de Sandia National Laboratories y patrocinador de SNAP. "Las aplicaciones incluyen cuestiones de ciencia planetaria, por ejemplo, qué presiones de impacto habrían llevado a la formación de nuestra luna. También abre la puerta al diseño y fabricación de nuevos materiales en condiciones extremas". Presiones y temperaturas El efecto sobre los materiales también es importante para diseñar modelos interiores de planetas gigantes. Las potentes instalaciones del Departamento de Energía, como la máquina Z de Sandia y la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), pueden recrear las condiciones casi idénticas de estos mundos en experimentos en la Tierra, proporcionando información sobre los extremos. material comprimido. Sin embargo, incluso estas máquinas singularmente poderosas no pueden identificar los mecanismos clave de cambio microscópico en estas condiciones extremas debido a limitaciones en el diagnóstico a nivel atómico.
"Sólo las simulaciones por computadora pueden hacer esto", dijo Thompson.
Un artículo técnico que describe la simulación ha sido seleccionado como finalista del Premio Gordon Bell, patrocinado anualmente por la Association for Computing Machinery. El modelado del diamante tomó sólo un día en la supercomputadora Summit del Laboratorio Nacional Oak Ridge, la computadora más rápida de los Estados Unidos, y fue dirigido por el profesor Ivan Oleynik de la Universidad del Sur de Florida. Además de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad del Sur de Florida, el equipo colaborativo incluye desarrolladores de software del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Departamento de Energía de EE. UU. y Nvidia Corporation.
Thompson dijo que la simulación del equipo se basó en SNAP, un método líder de aprendizaje automático para describir interacciones entre átomos, para simular y resolver un problema muy importante.
"Realizamos enormes simulaciones de bloques de diamante comprimidos de un micrón de tamaño", dijo Thompson. "Para hacer esto, rastreamos el movimiento de miles de millones de átomos calculando repetidamente las fuerzas atómicas durante muchos intervalos de tiempo extremadamente pequeños".
SNAP utiliza el aprendizaje automático y otras técnicas de ciencia de datos para entrenar un modelo sustituto que reproduce fielmente las fuerzas atómicas correctas. Estos se calculan mediante cálculos de mecánica cuántica de alta precisión, que sólo funcionan para sistemas que contienen unos pocos cientos de átomos. Luego, el modelo sustituto se amplía para predecir las fuerzas y aceleraciones de sistemas que contienen miles de millones de átomos. Todas las estructuras atómicas locales que surgen en las simulaciones a gran escala están bien representadas en los datos de entrenamiento a pequeña escala, lo cual es necesario para garantizar la precisión.
Otra parte clave del producto final, dijo Thompson, es la optimización del rendimiento del software para ejecutarlo de manera eficiente en supercomputadoras basadas en GPU como Summit. "Desde 2018, con solo mejorar el software, hemos podido acelerar el código SNAP más de 30 veces, reduciendo el tiempo de este tipo de simulaciones en un 97%. Al mismo tiempo, cada generación de hardware es más potente que la Por lo tanto, los cálculos que hasta hace poco hubieran tardado un año entero ahora se pueden ejecutar en un día en la Cumbre. "Debido a que el tiempo de supercomputadora es costoso y la competencia es feroz", dijo Thompson, "SNAP se ejecuta cada vez. Ambos acortamientos ahorran dinero". y aumenta la utilidad del modelo”.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Sandia, Stan Moore y Mitchell Wood, hicieron importantes contribuciones al modelo SNAP y a la mejora sustancial del rendimiento.
El software optimizado para ejecutar SNAP en supercomputadoras está disponible en una versión de código abierto del código de dinámica molecular LAMMPS de Sandia. El software Sandia FitSNAP para crear nuevos modelos SNAP también está disponible públicamente.