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NASA如何使用GPU和3D可视化技术帮助人类登上火星

NASA如何使用GPU和3D可视化技术帮助人类登上火星

2019-11-20 19:27

#人工智能 #深度学习


一艘宇宙飞船从地球抵达火星需要长达十个月的时间。但如果在最后六分钟出错,那么整个旅程将化为泡影。

在这六分钟内,该飞行器为了平稳着陆,必须从最初的每小时12,000英里下降速度减速到接近零的速度。整个过程非常复杂,而且着陆器只有一次成功的机会。

美国国家航空航天局兰利研究中心(NASA Langley Research Center)大气飞行和进入系统分部研究员Ashley Korzun告诉我们:“你无法确保成功降落。一旦开始降落,你就会朝着星球表面下坠。”

为了制定NASA首次火星载人任务的着陆计划,NASA正在使用NVIDIA GPU对相关的复杂物理条件进行高分辨率模拟。

NVIDIA创始人兼首席执行官黄仁勋SC19大会上展示了使用NVIDIA IndeX立体可视化软件生成的演示,以惊人的可视化图像展示了着陆器降落火星表面时的速度场,引起了全场的轰动。

Korzun表示,之前从未有过如此详细、响应迅速的模拟。“即使在数据集较小的情况下,我们也从未能够实时制定解决方案。现在,我们能够用所采集的最高分辨率数据集做到这一点,这真的是一项重大的突破。”

SC19的参会者可以在NVIDIA展位(901号)亲身体验这个运行于NVIDIA DGX-2(立即免费试用)系统集群上的交互式火星登陆器可视化软件。其基础数据集是一个60亿个单元格组成的四面体、棱柱形和金字塔形非结构化网格,这是全球最大的交互式立体可视化项目。

支持这一模拟的数据已由全球最快的超级计算机Summit系统处理。

登陆火星

虽然NASA已将人类送上了月球并将探测车送上了火星,但要将人类送上火星还得等上十多年。只有解决了如何让重型飞行器安全降落在火星上这一重大难题,NASA才能在2030年前后启动这一任务。

过去的火星之旅使用的是重一吨左右的着陆器,因此航天机构能够依靠空气阻力和降落伞安全地将飞行器送入大气层并降落到火星表面。

NASA 兰利高级研究科学家Eric Nielsen表示:“考虑到载人任务所需的飞行器尺寸,这个方法完全不可行。”

载人飞行器至少重数十吨。这比NASA到达火星上的最重着陆器——好奇号(Curiosity)探测车重10倍,而后者的重量几乎只相当于一辆紧凑型汽车。虽然在飞行器朝火星表面降落时,火星的大气层会吸收大部分的动能,但这仍不足以使飞行器完成软着陆。

在Summit上扩展模拟

NASA的科学家和工程师正在与来自欧道明大学(Old Dominion University, ODU)和NVIDIA的同事一起模拟一项使用反推进力的解决方案。在超音速条件下,通过起动与星球表面相反方向的着落器引擎产生向上推力,从而减缓重型飞行器的下降速度。这个方案需要考虑距离飞行器仅几厘米的微小湍流到距离飞行器数米的大型气流等复杂的流体动力学条件。

这就是为何NASA要使用高分辨率模拟来计划在各种着陆条件下如何控制飞行器的速度和方向。Nielsen表示,每次模拟都会产生100 TB以上的输出数据。他们将运行数十万TB的数据来测试飞行器降落至火星表面时可能遇到的各种情况。

NASA 兰利科研计算机科学家Aaron Walden在近期GTC DC大会上的一次演讲中表示:“如果我们使用在容量环境中运行的传统计算平台进行这些研究,那么一次模拟就需要长达六个月的时间。而在Summit上,每次模拟大约只需要一周时间,而且我们可以同时进行六次模拟。”

该团队利用3,312个NVIDIA V100 Tensor Core GPU的处理能力,在NASA的FUN3D计算流体动力学软件上同时运行六次模拟。Summit上的模拟分辨率也比团队之前的项目更高,可以在解决大型问题的同时获得比以往更多的物理信息。

Nielsen表示:“就学习周期而言,这真的是一次巨大的改变。”

将“最后一公里”问题实现可视化

每次FUN3D模拟都会显示着陆器下降轨迹上的特定时间点。在Summit上进行处理后,每次模拟都会被渲染成显示密度、涡度和速度等流体动力学变量的可视化图像。

NVIDIA IndeX 3D立体可视化软件开发工具包(SDK)首次实现了从FUN3D数据中生成动态模拟,而且每次模拟测量的数据规模达到惊人的128 TB(相当于1000多部4K电影)。这一在NVIDIA DGX-2系统群集上运行的复杂渲染使用GPUDirect Storage技术进行高带宽数据传输。

用户通过该可视化软件可以与结果进行实时交互,比如更改视角、通过缩放检查火箭引擎喷嘴出口处的情况及前方数十米处的情况等。

Korzun表示:“这种寻求解决方案的方式为此类飞行器的设计提供了一个非常有益的新途径,尤其是在协作环境中。”

由于能够获得飞行器在使用反推进力飞行时的详细力场图像,该团队可以详细了解各种火星着陆器引擎设计方案。他们可以使用可视化图像检测必要的调整、寻找设计中需要优化的地方并测试各种引擎与飞行器的搭配。

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