超級(jí)計(jì)算機(jī)的九個(gè)用武之處

安利

2016年11月，在美國(guó)鹽湖城舉行的國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)（Top500）榜單公布，中國(guó)“神威·太湖之光”以較大的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì)蟬聯(lián)冠軍。算上此前“天河二號(hào)”的六連冠，中國(guó)超算系統(tǒng)已在全球超算500強(qiáng)榜單上實(shí)現(xiàn)八連冠。不僅如此，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在“神威·太湖之光”上運(yùn)行的超算應(yīng)用還首次獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)被稱為“高性能計(jì)算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”。那么，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行哪些方面的研究呢？

1.氣候模擬和天氣預(yù)報(bào)

此次我國(guó)獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)的超算應(yīng)用名為“全球大氣非靜力云分辨模擬”。該項(xiàng)目面向氣候氣象領(lǐng)域研究。天氣預(yù)報(bào)需要實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)、查詢、分析和統(tǒng)計(jì)海量氣象數(shù)據(jù)，用普通的計(jì)算機(jī)要算幾百年。比如，降雨與云層的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以對(duì)云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬與觀測(cè)。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提升，觀測(cè)精度不斷縮小。如果未來能夠做到“盯準(zhǔn)”每一朵云，那么天氣預(yù)報(bào)就將萬無一失。

2.揭示宇宙演化進(jìn)程

由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的一個(gè)宇宙中微子數(shù)值模擬國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上成功完成3萬億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長(zhǎng)演化進(jìn)程。中微子是自然界中最基本的粒子種類之一，它不帶電，運(yùn)動(dòng)速度快，目前的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和宇宙學(xué)觀測(cè)都無法測(cè)定中微子的絕對(duì)質(zhì)量。中微子對(duì)宇宙早期星系和大尺度結(jié)構(gòu)的形成會(huì)產(chǎn)生微弱的抑制作用，后者可以通過大規(guī)模宇宙學(xué)數(shù)值模擬被間接“測(cè)量”，從中獲得中微子質(zhì)量信息。這種大規(guī)模宇宙學(xué)數(shù)值模擬，必須依賴具有強(qiáng)大計(jì)算和存儲(chǔ)能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

3.模擬核試驗(yàn)

Top500榜單上列三、四位的超級(jí)計(jì)算機(jī)是美國(guó)的“泰坦”和“紅杉”，它們屬于美國(guó)能源部下屬的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在其基礎(chǔ)上的超算應(yīng)用首先涉及核武器的研制和安全維護(hù)。利用1945～1992年美國(guó)進(jìn)行的1054次核試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，通過超級(jí)計(jì)算機(jī)建立核爆炸數(shù)學(xué)模型，深入了解核爆炸的原理，從而為研制新一代核武器服務(wù)；對(duì)于現(xiàn)有大批接近服役年限的核武器，可以利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)它們何時(shí)會(huì)失效，哪個(gè)部件需要更換等。

4.地震模擬

超級(jí)計(jì)算機(jī)能模擬地震。它通過計(jì)算各種地層應(yīng)力變化，模擬地殼運(yùn)動(dòng)。比如，中、德科學(xué)家就利用“天河二號(hào)”開展真實(shí)地震震波傳播模擬，再現(xiàn)了1992年美國(guó)加州蘭德斯大地震震波傳播過程，為研究地震波產(chǎn)生和傳播機(jī)理以及地震預(yù)報(bào)提供新的途徑。

5.海嘯危害預(yù)測(cè)

日本科學(xué)家使用該國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”建立海嘯仿真模型，成功進(jìn)行了地震發(fā)生后海嘯危害程度的快速預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，在宮城縣海域發(fā)生地震的情況下，最短可在10分鐘內(nèi)預(yù)測(cè)出仙臺(tái)市的淹水地域。該技術(shù)如推廣實(shí)施，將可以提高海嘯警報(bào)的精確度，更加有效地引導(dǎo)居民避難。海嘯危害仿真計(jì)算量很大，耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此難以進(jìn)行實(shí)時(shí)的危害分析。日本“3·11”大地震發(fā)生時(shí)，海嘯浪高的預(yù)報(bào)值就比實(shí)際高度要低。

6.石油勘探

超級(jí)計(jì)算機(jī)還能計(jì)算出一口油井究竟應(yīng)該打在哪里。目前，地震勘探是鉆探前勘測(cè)石油和天然氣資源的重要手段。所謂地震勘探，是指利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，觀測(cè)和分析大地對(duì)人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)，從而確定油氣的確切分布。這一過程需要進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的密集計(jì)算和模擬，計(jì)算結(jié)果出來后還要轉(zhuǎn)換成直觀的三維畫面，所以必須借助高性能計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。

7.精準(zhǔn)醫(yī)療

精準(zhǔn)醫(yī)療——即給每個(gè)人量身定制保健和治療方案——并不只是醫(yī)學(xué)上的范疇，而且與計(jì)算能力密切相關(guān)?；虻牟町悰Q定個(gè)體差異。一個(gè)人的基因組里就有30億對(duì)堿基等待科學(xué)家分析，并要考慮人的生活習(xí)慣和外部環(huán)境等信息。而這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，至少需要幾百萬個(gè)人的基因數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣才能分析清楚基因差異和各種健康問題的關(guān)系，從而因人施“治”。所有這些都需要超強(qiáng)的計(jì)算能力才能應(yīng)對(duì)。

8.模擬血流

人體中血管的總長(zhǎng)度加起來有10萬～16萬千米，實(shí)時(shí)模擬血液在血管中的流動(dòng)如果沒有超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎是不可能完成的任務(wù)。美國(guó)科學(xué)家已利用超級(jí)計(jì)算機(jī)成功再現(xiàn)了整個(gè)人體的動(dòng)脈系統(tǒng)，任何直徑在1毫米以上的動(dòng)脈血管都會(huì)出現(xiàn)在三維模型中，分辨率達(dá)到9微米。中國(guó)科學(xué)家也在利用“神威·太湖之光”對(duì)人體血流進(jìn)行模擬與分析。這可以及時(shí)有效地判定一個(gè)人是否會(huì)有發(fā)生腦梗塞的風(fēng)險(xiǎn)，而無需在血管中放入測(cè)量設(shè)備。除了模擬血流，超級(jí)計(jì)算機(jī)還可模擬心臟、大腦等身體任何部位。

9.藥物開發(fā)

在超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”的幫助下，科學(xué)家成功研發(fā)出新型抗癌藥物。研究人員著眼于對(duì)癌細(xì)胞增殖發(fā)揮重要作用的蛋白質(zhì)，并以這種特殊蛋白質(zhì)為切入點(diǎn)，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出能夠有效抑制癌細(xì)胞增殖的化學(xué)物質(zhì)。一般情況下，要計(jì)算出這種癌細(xì)胞特有的蛋白質(zhì)與可能有效的藥物結(jié)合的情況以及對(duì)體內(nèi)水分的影響是極其復(fù)雜的，必須借助超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行精密的模擬實(shí)驗(yàn)。

【責(zé)任編輯】龐 云