4 मिनट में 4 अरब साल – GPU से दुनिया का सिमुलेशन

GPU पर दुनिया का सिमुलेशन

4 अरब साल सिर्फ 4 मिनट में

• यह लेख GLSL fragment shader में लिखे गए procedural Earth simulation के implementation पर केंद्रित है
• यह पृथ्वी जैसे ग्रह के पूरे इतिहास को कुछ ही मिनटों में simulate करता है, और प्रति सेकंड 60 फ्रेम पर अपडेट होता है

आदिम ग्रह

• 4.5 अरब साल पहले, लावा के एक द्रव्यमान से शुरू हुई कहानी
• शुरुआती पृथ्वी asteroid टक्करों के कारण लाल और अत्यंत गर्म आदिम ग्रह थी
• procedural तरीके से बनाए गए terrain map के माध्यम से भू-भाग की ऊँचाई की गणना की जाती है
• अलग-अलग आकार के asteroid impact crater बनाए जाते हैं, और इन्हीं से terrain की ऊँचाई निर्धारित होती है
• asteroid impact crater 3D grid में बनाए जाते हैं, और hash function का उपयोग कर उनमें अनियमितता दी जाती है
• अंत में तैयार height map शुरुआती पृथ्वी के रूप को पुनर्निर्मित करता है

प्लेट टेक्टॉनिक्स

• पर्वत शृंखलाएँ, समुद्री गर्त और महाद्वीपीय भू-आकृतियाँ बनाने के लिए plate tectonics model का उपयोग किया जाता है
• प्रारंभिक वेग के साथ प्लेटों के seed positions को यादृच्छिक रूप से बनाया जाता है, और समय के साथ प्लेटें बढ़ती हैं
• प्लेट सीमाओं पर टक्कर होने पर terrain की ऊँचाई बढ़ती है
• यह टक्कर thermal erosion model के माध्यम से आसपास के pixels तक फैलती है

जल अपरदन

• प्राकृतिक भू-भाग का खुरदरा स्वरूप मुख्य रूप से river basin के निर्माण से तय होता है
• ऐसा model उपयोग किया जाता है जो low-resolution terrain map पर भी नदियों का simulation कर सकता है
• हर pixel अपने आसपास के 8 pixels को जाँचता है और सबसे तीव्र ढलान की दिशा में पानी बहता है
• अपरदन stream power law द्वारा संचालित होता है
• जल प्रवाह और अपरदन की परस्पर क्रिया से प्राकृतिक river basin बनते हैं

वैश्विक जलवायु

• climate system simulation mean sea level pressure (MSLP) map पर आधारित है
• MSLP map पर भूमि और महासागर की स्थिति तथा अक्षांश का प्रभाव पड़ता है
• मौसमों के बदलाव के अनुसार climate pattern बदलें, इसके लिए MSLP map को समायोजित किया जाता है
• MSLP के आधार पर हवा और तापमान उत्पन्न किए जाते हैं
• हवा उच्च दाब से निम्न दाब की ओर चलती है, और Coriolis effect को ध्यान में रखा जाता है
• वर्षा wind vector field के माध्यम से महासागर से भूमि की ओर पहुँचती है

जीवन

• जलवायु ग्रह पर जीवन के वितरण को प्रभावित करती है
• वर्षा के पैटर्न और तापमान में बदलाव पौधों की वृद्धि दर तय करते हैं
• मौसमी बदलावों के साथ शाकाहारी और शिकारी प्राणी स्थान बदलते हैं
• इन गतिशील परिवर्तनों का simulation करने के लिए Lotka-Volterra diffusion model का उपयोग किया जाता है

मानवता

• प्रारंभिक पृथ्वी की प्रस्तावना समाप्त होने के बाद, मानवता ग्रह की सतह पर उपनिवेश स्थापित करती है
• जीवाश्म ईंधन जलाकर वायुमंडल में कार्बन छोड़ती है
• कुछ सौ वर्षों में मानवता सभी जीवाश्म ईंधन संसाधनों का उपभोग कर लेती है और वायुमंडल में 5 ट्रिलियन टन कार्बन छोड़ती है
• इसके कारण greenhouse effect और मजबूत हो जाता है, और पृथ्वी का औसत तापमान लगभग 10 डिग्री बढ़ जाता है
• भूमध्य रेखा के आसपास के बड़े क्षेत्र अत्यधिक तापमान के कारण मनुष्यों के रहने लायक नहीं रहते

GN⁺ की संक्षिप्त प्रस्तुति

• यह लेख procedural Earth simulation के implementation process को विस्तार से समझाता है
• GLSL fragment shader का उपयोग करके terrain, plate tectonics, जल अपरदन, climate, life आदि का simulation किया गया है
• मानव गतिविधियों का पृथ्वी के पर्यावरण पर प्रभाव simulate करके यह चेतावनी का एहसास कराता है
• समान क्षमताओं वाले प्रोजेक्ट्स में "SimEarth" और "Universe Sandbox" की सिफारिश की गई है

[GN⁺]

Hacker News की राय

• "I don't know, Timmy, being God is a big responsibility" नाम की एक लघु कहानी विश्व सिमुलेशन के विषय को संभालती है
• यह मान लेना कि अगर किसी सभ्यता में रात की रोशनी है तो वह सभी fossil fuel जला कर मरुस्थलीकरण तक पहुँच जाएगी, सिर्फ हमारी सभ्यता की अपनी दिशा पर आधारित है
  • अन्य संभावनाएँ भी हैं, जैसे परमाणु युद्ध, स्वच्छ fusion का विकास, महामारी, एलियन ग्रहों का आक्रमण आदि
  • तापमान वृद्धि को सूखेपन के बराबर मान लिया गया है, और अतिरिक्त CO2 का पौधों पर प्रभाव नहीं माना गया है
• 1996/1997 में मैंने एक CD-ROM गेम विकसित किया था जो plate tectonics की गति, तापमान, ऊँचाई और वर्षा का सिमुलेशन करता था
  • 28 वर्षों में computing hardware और software की प्रगति चकित करने वाली है
• "Permutation City" नाम की एक hard SF किताब इस विषय से गहराई से जुड़ी हुई है
  • इस लेख का शीर्षक पढ़ते समय मुझे जैसे सपना देखने वाला एहसास हुआ
• विश्वविद्यालय में energy policy analysis की कक्षा में MIT द्वारा विकसित EPPA model का उपयोग करके energy storage cost को 10 गुना घटाने जैसी simulations की थीं
  • यह बहुत मजेदार था, लेकिन नौकरी में मुझे ऐसा मिलता-जुलता काम नहीं मिला
• यह उल्लेख किया गया कि simulation में कुछ विवरण छोड़े गए थे
• यह सवाल उठाया गया कि केवल fragment shader ही क्यों इस्तेमाल किया जा रहा है
  • अगर height map के लिए vertex shader भी इस्तेमाल करें, तो सतह तक zoom in किया जा सकता है
• पेज पर Shadertoy का उदाहरण 0.6 FPS पर चलता है, लेकिन Shadertoy वेबसाइट पर यह 60 FPS पर ठीक से चलता है
• कभी-कभी यह सोचता हूँ कि simulated universe में रहना कैसा महसूस होगा
• पूरे वीडियो के साथ चलने वाला संगीत परिचित लगा, लेकिन उसका स्रोत पता नहीं चल पाया
  • यह भी संभव है कि वह AI द्वारा बनाया गया संगीत हो