4 miliar tahun dalam 4 menit – simulasi dunia dengan GPU

Simulasi dunia di GPU

4 miliar tahun dalam 4 menit

• Tulisan ini membahas implementasi simulasi Bumi prosedural yang ditulis dengan shader fragmen GLSL
• Seluruh sejarah planet mirip Bumi disimulasikan hanya dalam beberapa menit, dan diperbarui pada 60 frame per detik

Planet purba

• Cerita dimulai 4,5 miliar tahun lalu, dari segumpal lava
• Bumi awal adalah planet purba yang merah dan panas akibat tabrakan asteroid
• Ketinggian medan dihitung melalui peta topografi yang dihasilkan secara prosedural
• Kawah tumbukan asteroid dengan berbagai ukuran dibuat, dan darinya ketinggian medan ditentukan
• Kawah asteroid dibuat pada grid 3D, dan fungsi hash digunakan untuk memberi ketidakteraturan
• Pada akhirnya, peta ketinggian yang dihasilkan mereproduksi rupa Bumi awal

Tektonik lempeng

• Model tektonik lempeng digunakan untuk membentuk pegunungan, palung, dan topografi benua
• Posisi seed lempeng dibuat secara acak dengan kecepatan awal, lalu lempeng tumbuh seiring waktu
• Saat tabrakan terjadi di batas lempeng, ketinggian medan meningkat
• Tabrakan ini menyebar ke piksel di sekitarnya melalui model erosi termal

Erosi hidrolik

• Rupa kasar medan alami terutama ditentukan oleh pembentukan daerah aliran sungai
• Model digunakan agar sungai bisa disimulasikan bahkan pada peta topografi beresolusi rendah
• Setiap piksel memeriksa 8 piksel di sekitarnya, lalu air mengalir ke arah kemiringan terbesar
• Erosi digerakkan oleh hukum stream power
• Interaksi antara aliran air dan erosi membentuk daerah aliran sungai yang alami

Iklim global

• Simulasi sistem iklim didasarkan pada peta mean sea level pressure (MSLP)
• Peta MSLP dipengaruhi oleh posisi daratan, lautan, dan garis lintang
• Peta MSLP disesuaikan agar pola iklim berubah mengikuti perubahan musim
• Angin dan suhu dihasilkan berdasarkan MSLP
• Angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah dengan mempertimbangkan efek Coriolis
• Curah hujan berpindah dari lautan ke daratan melalui medan vektor angin

Kehidupan

• Iklim memengaruhi distribusi kehidupan di planet
• Pola curah hujan dan perubahan suhu menentukan laju pertumbuhan tumbuhan
• Herbivora dan predator berpindah mengikuti perubahan musim
• Perubahan dinamis ini disimulasikan menggunakan model difusi Lotka-Volterra

Manusia

• Setelah prolog Bumi awal berakhir, manusia mengolonisasi permukaan planet
• Mereka membakar bahan bakar fosil dan melepaskan karbon ke atmosfer
• Selama ratusan tahun, manusia menghabiskan seluruh sumber daya bahan bakar fosil dan melepaskan 5 triliun ton karbon ke atmosfer
• Akibatnya, efek rumah kaca menguat dan suhu rata-rata Bumi naik sekitar 10 derajat
• Wilayah luas di sekitar khatulistiwa menjadi tidak layak huni akibat suhu ekstrem

Ringkasan GN⁺

• Tulisan ini menjelaskan secara rinci proses implementasi simulasi Bumi prosedural
• Dengan shader fragmen GLSL, medan, tektonik lempeng, erosi hidrolik, iklim, dan kehidupan disimulasikan
• Dampak aktivitas manusia terhadap lingkungan Bumi juga disimulasikan untuk membangkitkan kewaspadaan
• Proyek dengan fungsi serupa yang direkomendasikan adalah "SimEarth" dan "Universe Sandbox"

[GN⁺]

Pendapat Hacker News

• Cerita pendek berjudul "I don't know, Timmy, being God is a big responsibility" membahas tema simulasi dunia
• Asumsi bahwa jika sebuah peradaban memiliki pencahayaan malam maka mereka akan membakar semua bahan bakar fosil hingga menjadi gurun hanya didasarkan pada lintasan peradaban kita sendiri
  • Ada kemungkinan lain juga seperti perang nuklir, pengembangan fusi bersih, pandemi, invasi planet asing, dan sebagainya
  • Kenaikan suhu disamakan dengan kekeringan, dan dampak tambahan CO2 pada tanaman tidak dipertimbangkan
• Pada 1996/1997, saya mengembangkan game CD-ROM yang mensimulasikan pergerakan lempeng tektonik, suhu, ketinggian, dan curah hujan
  • Perkembangan perangkat keras dan perangkat lunak komputasi selama 28 tahun sungguh menakjubkan
• Buku hard SF berjudul "Permutation City" sangat berkaitan dengan topik ini
  • Saat membaca judul tulisan ini, saya merasa seperti sedang bermimpi
• Di universitas, dalam kelas analisis kebijakan energi, saya menggunakan model EPPA yang dikembangkan MIT untuk menjalankan simulasi seperti menurunkan biaya penyimpanan energi hingga 10 kali lipat
  • Sangat menyenangkan, tetapi saya tidak bisa menemukan pekerjaan serupa di tempat kerja
• Disebutkan bahwa beberapa detail dihilangkan dalam simulasi
• Bertanya-tanya mengapa hanya menggunakan fragment shader
  • Jika vertex shader untuk height map juga digunakan, simulasi bisa diperbesar hingga ke permukaan
• Contoh Shadertoy diputar pada 0.6 FPS di halaman tersebut, tetapi berjalan lancar pada 60 FPS di situs web Shadertoy
• Kadang bertanya-tanya seperti apa rasanya hidup di alam semesta yang disimulasikan
• Musik yang mengiringi seluruh video terdengar familier, tetapi sumbernya tidak diketahui
  • Bisa jadi itu musik yang dihasilkan AI