天体物理模拟对于天文学家研究非线性结构的形成以及暗物质、暗能量等的课题具有重要意义。未来的高精度天体物理模拟包含数千亿甚至数万亿粒子，因此需要巨大的计算能力和高效的算法。超级计算机作为大规模高分辨率天体物理模拟的最重要工具，在过去几十年里发展迅速。20世纪以来，宇宙学研究有了很大的进步，许多著名的理论是基于观测天文学提出的，例如宇宙膨胀和大爆炸理论。由于暗物质对整个电磁光谱都是不可见的，因此模拟暗物质演化就变得及其重要。这些天体物理模拟给予天文学家了解诸如星系、暗物质、暗能量等物质的非线性结构形成理论给予很大的帮助。宇宙N体模拟已经成为超级计算机的主要应用之一。

宇宙N体模拟软件PHoToNs-2是由中科院国家天文台设计开发，中科院计算机网络信息中心针对国产加速卡平台对其进行移植和深度性能优化，其算法使用谱方法和快速多极子耦合，具有较好的并行可扩展性，在中科院的“曙光7000”、无锡的“神威太湖之光”和广州的“天河二号”平台上进行超大规模测试均取得良好的扩展性。

• 支持N体模拟相关算法。为了克服超大规模模拟带来的挑战，软件选用最合适的快速算法：FMM-PM。快速多极子方法（FMM）被列为20 世纪十大算法之一，其计算复杂度为O(N)，但编程实现比其他N 体方法更为复杂。 为了解耦不同尺度上的计算，本项目将使用FMM与谱方法相结合的策略，这一策略还有利于构造非本地作用计算列表，减少并行通信量。
• 支持并行异构平台。其计算核心在申威众核、Intel Xeon Phi和海光加速卡等处理器上移植和优化均取得了优异的性能。

软件最大特色是在各种国产异构平台上具有较高的性能和可扩展性。软件在神威上16万核组的峰值性能达到42PFlops，在曙光7000上实现了数万亿粒子规模的天文N体模拟。

• Wang Q, Cao Z Y, Gao L, Chi XB, Meng C , PHoToNs–A parallel heterogeneous and threads oriented code for cosmological N-body simulation. Research in Astronomy and Astrophysics, 2018, v.18(06):9-18.
• https://github.com/nullike/photoNs-2.0