Découvertes dans les données : le cluster de calcul haute performance alimente la recherche de pointe
Les grandes questions, comme celles qui s’interrogent sur les mystères de notre univers, nécessitent souvent de grandes données pour éclairer des résultats de recherche potentiellement extraterrestres.
Le cluster de calcul haute performance (HPC) de l’Illinois State University, lancé en 2020 à Julian Hall, fournit aux chercheurs un outil suralimenté pour analyser efficacement les grands ensembles de données.
Le professeur adjoint de physique, le Dr Matt Caplan, utilise fréquemment le HPC pour ses recherches sur les astromatériaux, ces solides petits mais remarquablement denses qui se forment à l’intérieur des étoiles mortes à des années-lumière de la Terre. J’utilise de grandes simulations informatiques pour calculer les propriétés de très petits morceaux de matière afin que nous puissions comprendre les propriétés de grandes choses comme les noyaux d’étoiles, les big bangs et les trous noirs, a déclaré Caplan.
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Le HPC se compose de 30 serveurs puissants et interconnectés appelés nœuds qui traitent simultanément d’énormes quantités de données pour effectuer des calculs complexes. Ce qui prendrait des années à un ordinateur standard pour être calculé peut être traité par le HPC en quelques semaines ou quelques mois.
Dans le calcul parallèle, plusieurs cerveaux valent mieux qu’un, a déclaré le Dr Rosie Hauck, directrice exécutive du Bureau de soutien aux technologies avancées pour le corps professoral. Tous les nœuds travaillent ensemble, c’est pourquoi ils sont capables de résoudre ces problèmes de calcul lourds en un temps plus court.
Par exemple, Caplan utilise une simulation HPC pour déterminer comment les particules de noyaux d’hélium modifient les taux de désintégration radioactive du thorium dans les étoiles naines blanches. Il définit des paramètres tels que la taille de la simulation, la température, l’intensité du champ magnétique, le nombre de nucléides et la densité de la matière à partir de son ordinateur de bureau de Moulton Hall.
Et puis il suffit d’appuyer sur un bouton, et ça marche, a déclaré Caplan.
« La différence entre avoir cette machine et pas est la différence
entre pouvoir faire cette recherche et non.
Dr Matt Caplan
Les nœuds HPC traitent les données selon les spécifications de Caplans en utilisant un code de recherche que lui et ses collègues astrophysiciens ont développé au cours des dernières années.
Si vous voulez faire une simulation, ce que vous devez vraiment faire, c’est beaucoup de calculs et il y a trop de calculs à faire à la main, a déclaré Caplan. Il calcule où se trouvent les particules, où elles vont et comment leurs interactions avec chaque particule autour d’elles vont changer la façon dont elles se déplacent.
Une simulation d’une semaine dans le HPC génère des milliers de fichiers contenant des colonnes de petits nombres blancs étirés sur le fond noir de l’ordinateur de bureau de Caplans.
C’est un peu comme regarder la matrice lorsque les chiffres diminuent, a déclaré Craig Jackson, directeur des opérations d’infrastructure et des réseaux au Bureau des solutions technologiques. Mais, pour le Dr Caplan, les chiffres ont un sens.
Caplan branche les données dans un graphique pour analyse. Dans sa simulation de naine blanche, une ligne de tendance illustrant les calculs des HPC montre à Caplan à quel point l’hélium se rapproche du thorium et avec quelle facilité il peut empêcher le thorium de subir une désintégration radioactive.
Souvent, il suffit de transformer des dizaines de téraoctets de données en un seul nombre ou une seule ligne pouvant figurer dans un document afin que quelqu’un d’autre puisse l’utiliser dans ses calculs, a déclaré Caplan. La majeure partie de la science est construite comme un puzzle, et tout le monde essaie de créer une pièce qui s’adaptera aux pièces d’autres peuples et leur permettra de placer plus de pièces dans le grand puzzle.
Caplan fait partie des plus de 10 membres du corps professoral qui utilisent désormais le CHP des États de l’Illinois. Leurs domaines de recherche comprennent la chimie, l’économie, la géographie et la géologie, les technologies de l’information, les mathématiques et la physique. Hauck espère étendre l’utilisation du HPC aux professeurs dans les disciplines qui effectuent également des recherches qualitatives.
Le HPC peut analyser beaucoup de texte, a déclaré Hauck. Vous pouvez exécuter une analyse de tous les travaux de Shakespeare, par exemple.
Charles Edamala, directeur de l’information des États de l’Illinois et vice-président associé de Technology Solutions, a déclaré que le HPC pourrait également être utilisé dans des efforts multidisciplinaires pour résoudre des problèmes de société et envisage que le HPC devienne une ressource à l’échelle de la communauté.
Ce service ouvre la porte aux chercheurs en éducation pour travailler avec les professeurs des beaux-arts et les chercheurs en mathématiques pour, par exemple, modéliser la réussite des étudiants dans les quartiers à faible revenu, a déclaré Edamala. Il a la capacité de développer des simulations épidémiques à grande échelle, de faire partie d’un réseau urbain intelligent ou de créer des modèles de véhicules aérodynamiques. Le HPC a le potentiel de servir le comté de McLean et sa communauté d’affaires de manières diverses et innovantes.
Le CHP des États de l’Illinois est une nécessité pour Caplan. Sans cela, il devrait postuler pour des heures de nœud dans d’autres institutions, un processus qui réduirait son temps pour mener des recherches.
La différence entre avoir cette machine et non est la différence entre pouvoir faire cette recherche et non, a-t-il dit.
Caplan est internationalement reconnu pour étudier les formes exotiques de pâtes nucléaires comme les lasagnes planes et les spaghettis cylindriques que les noyaux forment profondément dans la croûte des étoiles à neutrons où la matière est un billion de fois plus dense que tout ce qui existe sur Terre. À l’aide du HPC et de quelques supercalculateurs externes, Caplan exécute des simulations pour étudier l’effet des pâtes nucléaires sur les propriétés observables des étoiles à neutrons.
Ce sont des nappes de protons et de neutrons qui se sont complètement réarrangées en quelque chose qui ne peut pas exister sur terre, et nous voulons savoir quelle est la force de ce matériau ? dit Caplan. Donc, l’un de mes ensembles de simulations que j’ai exécuté est, si vous le tordez et si vous le déformez et si vous pliez cette simulation, comment le matériau réagit-il ? Cela vous indique sa force élastique et le type d’énergie qui peut être libérée lors d’un tremblement d’étoile, par exemple. Cela se résume aux propriétés matérielles des choses à l’intérieur.
Caplan étudie également les cristaux de coulomb créés dans les couches externes des étoiles à neutrons. La pression et la densité immenses causées par la gravité des étoiles compriment les noyaux en une structure cristallisée malgré une chaleur dépassant 1 million de degrés Fahrenheit. Ian Freeman, un triple diplômé senior de l’État de l’Illinois en physique, physique computationnelle et mathématiques, collabore avec Caplan pour créer des vidéos animées des cristaux de coulomb qui illustrent les résultats de la recherche numérique.
Ce que je voyais, c’est qu’il y avait comme un petit flocon de neige qui fondait en quelque sorte, alors qu’ils essayaient de comprendre, quel est l’équilibre ? Caplan a expliqué pendant la lecture de l’animation. Simulaient à deux températures et essayaient de trouver l’équilibre entre la phase solide et la phase liquide.
Freeman, un boursier Barry Goldwater qui espère devenir professeur d’astrophysique à l’université, a découvert la recherche de Caplans pour la première fois grâce à ses contributions à la chaîne de divertissement ludo-éducatif YouTube Kurzgesagt In a Nutshell. Caplan a écrit plus d’une douzaine d’épisodes, dont un sur l’utilisation d’un dispositif théorique qui capterait l’énergie du soleil pour propulser notre système solaire loin d’une collision stellaire imminente.
La physique est explorée depuis environ 500 ans, et la physique des superordinateurs est explorée depuis environ 40 ans, a déclaré Freeman. Donc, c’est excitant d’avoir l’opportunité d’en faire partie et d’avoir le HPC ici à l’État de l’Illinois. Cela a complètement révolutionné notre façon de faire de la science.
Jamie Johnston, 22 ans, étudiant diplômé en informatique, a été le premier administrateur adjoint diplômé du CHP. Après avoir initialement participé à l’inventaire et à l’installation du matériel HPC, Johnston a servi de point de contact pour les utilisateurs du système tels que Caplan.
Pour son projet de recherche de fin d’études supérieures, Johnston a collaboré avec Caplan pour identifier et classer les millions de cratères lunaires grâce à l’apprentissage automatique. À l’aide d’un réseau neuronal convolutif (CNN), Johnston a effectué une analyse complète des images de modèles d’élévation numériques haute résolution de Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA. L’automatisation du processus a augmenté la vitesse et la fiabilité, en particulier pour identifier les plus petits cratères des lunes.
Johnston a présenté ses recherches à la conférence de l’American Physical Society et a co-écrit quelques articles avec Caplan. Johnston a déclaré que son expérience avec le HPC, en particulier la possibilité d’interagir avec les professeurs, l’avait préparé à son rôle actuel d’ingénieur logiciel chez State Farm.
C’est génial que j’ai pu entrer au rez-de-chaussée avec le HPC, a déclaré Johnston. Il a par la suite aidé à former et à transmettre les fonctions d’administrateur système à l’actuel assistant diplômé HPC George Jacob. Au fur et à mesure que le HPC grandit, je pense que ce sera vraiment cool de pouvoir regarder en arrière et dire, j’en ai fait partie.
En utilisant l’analyse de Johnstons, Caplan a l’intention de rechercher de petits cratères avec de nouvelles caractéristiques qui pourraient indiquer une collision lunaire passée avec la matière noire, une autre pièce de puzzle potentielle dans son exploration en cours de la frontière intergalactique.
Lorsque vous obtenez quelque chose auquel vous ne vous attendiez pas du tout, c’est lorsque vous avez découvert quelque chose, a déclaré Caplan. Et quand vous êtes la première personne sur la planète à savoir quelque chose de vrai sur les étoiles, les plasmas, la physique fondamentale, c’est un sentiment cool.