4 Dakikada 4 Milyar Yıl – GPU ile Dünya Simülasyonu

GPU'da dünya simülasyonu

4 milyar yıl 4 dakikada

• Bu yazı, GLSL fragment shader ile yazılmış prosedürel bir Dünya simülasyonunun nasıl gerçekleştirildiğini ele alıyor
• Dünya benzeri bir gezegenin tüm tarihini birkaç dakika içinde simüle ediyor ve saniyede 60 kare hızında güncelleniyor

İlkel gezegen

• Hikâye, 4,5 milyar yıl önce bir lav kütlesiyle başlıyor
• Erken Dünya, asteroit çarpışmaları nedeniyle kızıl ve sıcak bir ilkel gezegendi
• Prosedürel olarak üretilen topoğrafya haritası üzerinden arazinin yüksekliği hesaplanıyor
• Farklı boyutlarda asteroit çarpma kraterleri oluşturuluyor ve bunlar üzerinden arazi yüksekliği belirleniyor
• Asteroit kraterleri 3D bir grid üzerinde oluşturuluyor ve düzensizlik katmak için hash fonksiyonu kullanılıyor
• Sonuçta üretilen yükseklik haritası, erken Dünya'nın görünümünü yeniden oluşturuyor

Levha tektoniği

• Dağ sıraları, hendekler ve kıtasal topoğrafya oluşturmak için levha tektoniği modeli kullanılıyor
• Başlangıç hızlarıyla levha tohum konumları rastgele oluşturuluyor ve levhalar zamanla büyüyor
• Levha sınırlarında çarpışma meydana geldiğinde arazi yüksekliği artıyor
• Bu çarpışma, termal erozyon modeli aracılığıyla çevredeki piksellere yayılıyor

Hidrolik erozyon

• Doğal arazinin engebeli görünümü büyük ölçüde nehir havzalarının oluşumu tarafından belirleniyor
• Düşük çözünürlüklü topoğrafya haritalarında bile nehirleri simüle edebilen bir model kullanılıyor
• Her piksel, çevresindeki 8 pikseli inceleyerek suyu en büyük eğim yönüne akıtıyor
• Erozyon, stream power yasası tarafından yönlendiriliyor
• Su akışı ile erozyonun etkileşimi sonucunda doğal nehir havzaları oluşuyor

Küresel iklim

• İklim sistemi simülasyonu, ortalama deniz seviyesi basıncı (MSLP) haritasına dayanıyor
• MSLP haritası, kara ve okyanusların konumundan ve enlemden etkileniyor
• Mevsimsel değişimlere göre iklim örüntülerinin değişmesi için MSLP haritası ayarlanıyor
• MSLP temel alınarak rüzgâr ve sıcaklık üretiliyor
• Rüzgâr, yüksek basınçtan alçak basınca doğru hareket ediyor ve Coriolis etkisi hesaba katılıyor
• Yağış, rüzgâr vektör alanı aracılığıyla okyanustan karaya taşınıyor

Yaşam

• İklim, gezegendeki yaşamın dağılımını etkiliyor
• Yağış örüntüleri ve sıcaklık değişimleri, bitki büyüme hızını belirliyor
• Otçullar ve yırtıcılar, mevsimsel değişimlere göre göç ediyor
• Bu dinamik değişimler, Lotka-Volterra difüzyon modeli kullanılarak simüle ediliyor

İnsanlık

• Erken Dünya'nın açılış perdesi sona erdikten sonra insanlık gezegen yüzeyini kolonileştiriyor
• Fosil yakıtları yakarak atmosfere karbon salıyor
• Yüzlerce yıl boyunca insanlık tüm fosil yakıt kaynaklarını tüketiyor ve atmosfere 5 trilyon ton karbon salıyor
• Bunun sonucunda sera etkisi güçleniyor ve Dünya'nın ortalama sıcaklığı yaklaşık 10 derece yükseliyor
• Ekvator çevresindeki geniş bölgeler, aşırı sıcaklıklar nedeniyle insanlar için yaşanamaz hâle geliyor

GN⁺ özeti

• Bu yazı, prosedürel Dünya simülasyonunun gerçekleştirilme sürecini ayrıntılı biçimde açıklıyor
• GLSL fragment shader kullanarak topoğrafya, levha tektoniği, hidrolik erozyon, iklim ve yaşamı simüle ediyor
• İnsan faaliyetlerinin Dünya çevresi üzerindeki etkisini simüle ederek farkındalık yaratıyor
• Benzer özelliklere sahip projeler arasında "SimEarth" ve "Universe Sandbox" öneriliyor

[GN⁺]

Hacker News görüşü

• "I don't know, Timmy, being God is a big responsibility" adlı kısa öykü, dünya simülasyonu temasını ele alıyor
• Bir uygarlıkta gece aydınlatması varsa tüm fosil yakıtların yakılıp çölleşmenin yaşanacağı varsayımı, yalnızca bizim uygarlık yörüngemize dayanıyor
  • Nükleer savaş, temiz füzyonun geliştirilmesi, salgın hastalık, uzaylıların gezegeni istila etmesi gibi başka olasılıklar da var
  • Sıcaklık artışı kuraklıkla eşdeğer tutuluyor ve ek CO2'nin bitkiler üzerindeki etkisi hesaba katılmıyor
• 1996/1997'de levha tektoniği hareketi, sıcaklık, yükseklik ve yağışı simüle eden bir CD-ROM oyunu geliştirmiş
  • 28 yılda bilgi işlem donanımı ve yazılımındaki ilerleme şaşırtıcı
• "Permutation City" adlı hard SF kitabı bu konuyla yakından ilgili
  • Bu yazının başlığını okurken rüya görüyormuş gibi hissetmiş
• Üniversitede enerji politikası analizi dersinde, MIT'de geliştirilen EPPA modelini kullanarak enerji depolama maliyetini 10 kat azaltma gibi simülasyonlar yapmış
  • Çok eğlenceliydi ama iş hayatında benzer bir iş bulamamış
• Simülasyonda bazı ayrıntıların atlandığını belirtiyor
• Neden yalnızca fragment shader kullanıldığını merak ediyor
  • Yükseklik haritası için vertex shader da kullanılırsa yüzeye kadar yakınlaştırma yapılabilir
• Shadertoy örneği sayfada 0.6 FPS ile oynatılıyor ama Shadertoy web sitesinde 60 FPS ile sorunsuz çalışıyor
• Bazen simüle edilmiş bir evrende yaşamanın nasıl bir şey olacağını merak ediyor
• Tüm videoya eşlik eden müzik tanıdık geliyordu ama kaynağını çıkaramamış
  • Yapay zeka tarafından üretilmiş müzik olma ihtimali de var