4 mil millones de años en 4 minutos: simulando un mundo con GPU

Simulación de un mundo en la GPU

4 mil millones de años en 4 minutos

• Este artículo trata sobre la implementación de una simulación procedural de la Tierra escrita con un fragment shader en GLSL
• Simula en unos minutos toda la historia de un planeta similar a la Tierra, actualizándose a 60 cuadros por segundo

Planeta primitivo

• La historia comienza hace 4.5 mil millones de años, con una masa de lava
• La Tierra temprana era un planeta primitivo rojo y caliente debido a los impactos de asteroides
• La altura del terreno se calcula mediante un mapa de relieve generado proceduralmente
• Se generan cráteres de impacto de asteroides de distintos tamaños, y con ellos se determina la elevación del terreno
• Los cráteres de asteroides se generan en una cuadrícula 3D y se usa una función hash para darles irregularidad
• El mapa de alturas generado al final recrea el aspecto de la Tierra primitiva

Tectónica de placas

• Se usa un modelo de tectónica de placas para formar cordilleras, fosas oceánicas y relieve continental
• Las posiciones semilla de las placas se generan aleatoriamente con velocidades iniciales, y las placas crecen con el tiempo
• Cuando ocurren colisiones en los límites de placas, aumenta la elevación del terreno
• Estas colisiones se difunden a los píxeles cercanos mediante un modelo de erosión térmica

Erosión hídrica

• El aspecto accidentado del relieve natural está determinado en gran parte por la formación de cuencas fluviales
• Se usa un modelo capaz de simular ríos incluso en mapas de relieve de baja resolución
• Cada píxel revisa los 8 píxeles vecinos y el agua fluye en la dirección de la pendiente más pronunciada
• La erosión está impulsada por la ley de potencia del flujo
• La interacción entre el flujo de agua y la erosión forma cuencas fluviales naturales

Clima global

• La simulación del sistema climático se basa en un mapa de presión media al nivel del mar (MSLP)
• El mapa MSLP recibe la influencia de la ubicación de la tierra y los océanos, así como de la latitud
• El mapa MSLP se ajusta para que los patrones climáticos cambien con las variaciones estacionales
• A partir de MSLP se generan el viento y la temperatura
• El viento se desplaza de alta presión a baja presión, considerando el efecto Coriolis
• La precipitación se desplaza del océano hacia la tierra a través del campo vectorial del viento

Vida

• El clima influye en la distribución de la vida en el planeta
• Los patrones de precipitación y los cambios de temperatura determinan la velocidad de crecimiento de las plantas
• Herbívoros y depredadores migran según los cambios estacionales
• Se usa un modelo de difusión de Lotka-Volterra para simular estas dinámicas

Humanidad

• Tras el prólogo de la Tierra temprana, la humanidad coloniza la superficie del planeta
• Quema combustibles fósiles y libera carbono a la atmósfera
• A lo largo de varios siglos, la humanidad consume todos los recursos de combustibles fósiles y libera 5 billones de toneladas de carbono a la atmósfera
• Como resultado, se intensifica el efecto invernadero y la temperatura media global de la Tierra aumenta unos 10 grados
• Amplias zonas alrededor del ecuador se vuelven inhabitables para los humanos debido a temperaturas extremas

Resumen de GN⁺

• Este artículo explica en detalle el proceso de implementación de una simulación procedural de la Tierra
• Usa fragment shaders en GLSL para simular relieve, tectónica de placas, erosión hídrica, clima, vida y más
• Simula el impacto de la actividad humana sobre el entorno terrestre para generar conciencia
• Como proyectos con funciones similares, se recomiendan "SimEarth" y "Universe Sandbox"

[GN⁺]

Opiniones de Hacker News

• El cuento corto "I don't know, Timmy, being God is a big responsibility" trata el tema de la simulación de mundos
• La suposición de que si una civilización tiene iluminación nocturna terminará quemando todos los combustibles fósiles y desertificándose se basa solo en la trayectoria de nuestra civilización
  • También hay otras posibilidades, como una guerra nuclear, el desarrollo de fusión limpia, una pandemia o una invasión de un planeta alienígena
  • El aumento de la temperatura se equipara con la aridez y no se considera el efecto del CO2 adicional en las plantas
• En 1996/1997 desarrollé un juego en CD-ROM que simulaba el movimiento de placas tectónicas, la temperatura, la altitud y las precipitaciones
  • Es asombroso el avance del hardware y el software de cómputo en 28 años
• Un libro de ciencia ficción dura llamado "Permutation City" está muy relacionado con este tema
  • Al leer el título de este artículo sentí como si estuviera soñando
• En la universidad, en una clase de análisis de políticas energéticas, usé el modelo EPPA desarrollado por MIT para hacer simulaciones como reducir 10 veces el costo del almacenamiento de energía
  • Fue muy divertido, pero no pude encontrar un trabajo parecido
• Se menciona que se omitieron algunos detalles en la simulación
• Se pregunta por qué solo se usan fragment shaders
  • Si también se usara un vertex shader para el height map, se podría hacer zoom hasta la superficie
• El ejemplo de Shadertoy se reproduce a 0.6 FPS en la página, pero en el sitio web de Shadertoy se reproduce bien a 60 FPS
• A veces se pregunta cómo se sentiría vivir en un universo simulado
• La música que acompañó todo el video le resultó familiar, pero no pudo identificar de dónde era
  • También podría ser música generada por IA