埃尔卡皮坦超算实现火箭排气模拟新突破，耗时百亿亿次

美国科研团队依托劳伦斯利弗莫尔国家实验室的百亿亿次超级计算机“埃尔卡皮坦”，成功完成了全球规模最大的流体动力学模拟。这一突破性成果不仅在单一计算流体动力学问题中突破了千万亿自由度的规模限制，更在运算速度、内存占用与能耗控制方面实现了显著优化，为计算驱动的火箭设计开辟了全新路径。

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研究聚焦于火箭排气现象，特别是多台火箭发动机同时点火产生的湍流排气动力学。团队通过模拟复现了SpaceX超重型助推器启动时复杂的构型排气过程，揭示了紧凑型大推力发动机阵列在点火时羽流相互作用的极端挑战。这种设计虽然具备制造便捷性、发动机冗余度与运输便利性等优势，但当数十台发动机同时工作时，炽热排气可能被反向推回箭体底部，直接威胁发射任务的安全。

为实现如此大规模的模拟，团队融合了一种名为“信息几何正则化”（IGR）的冲击正则化技术。该技术由佐治理工学院斯宾塞·布林格尔森教授、纽约大学库兰特研究所弗洛里安·谢弗教授及康奈尔大学博士生曹瑞佳共同研发。布林格尔森教授表示：“这一方法在速度、能耗和模拟规模上均实现显著突破，在同等精度下比现有最先进技术提升数个数量级。

在性能优化方面，研究团队将算法效率与“埃尔卡皮坦”的芯片架构深度结合，实现了较以往方法80倍的运算速度提升，内存占用降低至1/25，整体能耗下降超过5倍。原本需要数周才能完成的模拟任务，如今仅需数小时即可得出结果。这一成果不仅为百亿亿次计算流体动力学（CFD）的性能和内存效率树立了新标杆，更验证了大规模模拟在真实系统压力下的可行性。

模拟过程中，团队充分利用“埃尔卡皮坦”全系统11,136个计算节点和超过44,500个AMD Instinct MI300A加速单元，成功突破了超500万亿网格节点（相当于500千万亿自由度）的规模极限。他们还在橡树岭国家实验室的“前沿”超级计算机上开展拓展验证，成功实现千万亿自由度的模拟突破。这些模拟均基于布林格尔森课题组维护的开源MFC代码进行，该代码采用宽松许可证，为全球科研人员提供了开放的研究工具。

劳伦斯利弗莫尔计算部门首席技术官布罗尼斯瓦夫·R·德苏平斯基指出：“从设计‘埃尔卡皮坦’的第一天起，我们的目标就是实现此前不可行的任务级规模模拟。此次与外部团队合作，不仅验证了大规模计算性能和科学可用性，更让我们深入理解了超级计算机在真实压力环境下的运行特性。”他强调，这类合作对推动高性能计算领域的发展至关重要。

该研究团队已入围2025年ACM戈登·贝尔奖决赛，该奖项被誉为高性能计算领域的最高荣誉。团队成员表示，随着商业航天业务的快速发展，运载火箭对紧凑型大推力发动机阵列的依赖日益加深，而此次模拟为解决相关挑战提供了关键技术支撑。通过计算驱动的预测性建模，未来有望替代成本高昂且受限的物理实验，推动火箭设计迈入新阶段。