Model pembelajaran mesin Sandia yang kuat menunjukkan peleburan berlian pada tekanan tinggi

Peningkatan perangkat keras dan perangkat lunak mempersingkat ‘waktu berjalan’ dari tahun ke hari.

Model simulasi superkomputer Sandia National Laboratories yang disebut JEPRET yang dengan cepat memprediksi perilaku miliaran atom yang berinteraksi telah menangkap pencairan berlian ketika dikompresi oleh tekanan ekstrim dan suhu.

Pada beberapa juta atmosfer, kisi karbon kaku dari zat yang paling sulit diketahui di Bumi ditunjukkan dalam simulasi SNAP (Spectral Neighbor Analysis Potential) untuk retak, meleleh menjadi karbon amorf, dan kemudian mengkristal kembali. Pekerjaan tersebut dapat membantu pemahaman tentang struktur internal exoplanet berbasis karbon dan memiliki implikasi penting bagi upaya fusi nuklir yang menggunakan kapsul yang terbuat dari berlian polikristalin.

Merancang materi baru dan implikasinya untuk planet raksasa

“Kami sekarang dapat mempelajari respons banyak bahan di bawah tekanan ekstrem yang sama,” kata ilmuwan Sandia Aidan Thompson, yang berasal dari SNAP. “Aplikasi mencakup pertanyaan sains planet — misalnya, jenis tekanan dampak apa yang akan menyebabkan pembentukan bulan kita. Ini juga membuka pintu untuk merancang dan membuat material baru pada kondisi ekstrem.”

Pengaruh tekanan dan suhu ekstrim pada material juga penting untuk merancang model interior planet raksasa. Fasilitas DOE yang kuat seperti mesin Z Sandia dan Fasilitas Pengapian Nasional Laboratorium Nasional Lawrence Livermore dapat menciptakan kembali kondisi yang hampir identik dari dunia ini dalam eksperimen duniawi yang menawarkan pemeriksaan jarak dekat terhadap material yang dikompresi secara radikal. Tetapi bahkan mesin yang sangat kuat ini tidak dapat menunjukkan mekanisme perubahan mikroskopis kunci di bawah kondisi ekstrem ini, karena keterbatasan diagnostik pada tingkat atom.

“Hanya simulasi komputer yang bisa melakukan itu,” kata Thompson.

Finalis makalah Gordon Bell adalah tentang ‘sebongkah berlian terkompresi berukuran mikron’

SEBUAH makalah teknis menggambarkan simulasi terpilih sebagai finalis untuk hadiah Gordon Bell, disponsori setiap tahun oleh Association of Computing Machinery. Pemodelan khusus berlian, yang hanya memakan waktu satu hari di superkomputer Summit (tercepat di AS) di Laboratorium Nasional Oak Ridge, dipimpin oleh Prof. Ivan Oleynik di University of South Florida. Selain Sandia dan USF, tim kolaboratif juga termasuk pengembang perangkat lunak di Pusat Komputasi Ilmiah Riset Energi Nasional Departemen Energi dan NVIDIA Corporation.

Simulasi tim mengandalkan SNAP, salah satu deskripsi pembelajaran mesin terkemuka dari interaksi interatomik, untuk memodelkan dan memecahkan masalah yang sangat penting, kata Thompson.

“Kami menciptakan simulasi raksasa dari sebongkah berlian terkompresi berukuran mikron,” kata Thompson. “Untuk melakukan ini, kami melacak gerakan miliaran atom dengan menghitung gaya atom berulang kali dalam interval waktu yang sangat banyak, sangat kecil.”

Pembelajaran mesin dijembatani dengan perhitungan mekanika kuantum

SNAP menggunakan pembelajaran mesin dan teknik ilmu data lainnya untuk melatih model pengganti yang dengan setia mereproduksi kekuatan atom yang benar. Ini dihitung menggunakan perhitungan mekanika kuantum akurasi tinggi, yang hanya mungkin untuk sistem yang mengandung beberapa ratus atom. Model pengganti kemudian ditingkatkan untuk memprediksi gaya dan percepatan untuk sistem yang mengandung miliaran atom. Semua struktur atom lokal yang muncul dalam simulasi skala besar terwakili dengan baik dalam data pelatihan skala kecil, suatu kondisi yang diperlukan untuk akurasi.

Grafik menunjukkan peningkatan dramatis dalam kecepatan komputasi yang dicapai oleh model SNAP Sandia National Laboratories dari 2018 hingga 2021. (Courtesy Sandia National Laboratories.)

Bagian penting lainnya dari hasil akhir adalah optimalisasi kinerja perangkat lunak untuk berjalan secara efisien pada superkomputer berbasis GPU seperti Summit, kata Thompson. “Sejak 2018, hanya dengan meningkatkan perangkat lunak, kami telah mampu membuat kode SNAP lebih dari 30 kali lebih cepat, mempersingkat waktu untuk simulasi semacam ini sebesar 97%. Pada saat yang sama, setiap generasi perangkat keras lebih kuat daripada yang terakhir. Akibatnya, perhitungan yang mungkin sampai baru-baru ini memakan waktu satu tahun sekarang dapat dijalankan dalam satu hari di Summit.”

Waktu berjalan dipersingkat 97 persen

“Karena waktu superkomputer mahal dan sangat kompetitif,” kata Thompson, “setiap memperpendek waktu pengoperasian SNAP menghemat uang dan meningkatkan kegunaan model.”

Peneliti Sandia Stan Moore dan Mitchell Wood memberikan kontribusi penting pada model SNAP dan peningkatan kinerja yang dramatis.

Perangkat lunak yang dioptimalkan untuk menjalankan SNAP pada superkomputer tersedia di distribusi open source Sandia’s LAMMPS kode dinamika molekul. Sandia FitSNAP perangkat lunak untuk membangun model SNAP baru juga tersedia untuk umum.

Versi pertama SNAP dibuat pada tahun 2012 dengan dukungan dari program Penelitian dan Pengembangan yang Ditunjuk Laboratorium Sandia. Peningkatan perangkat lunak telah didukung terus menerus sejak 2017 oleh Proyek Komputasi Exascale DOE, sebuah upaya kolaboratif dari Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS dan Administrasi Keamanan Nuklir Nasional.

Sumber: Sandia