超算應(yīng)用，中國何以衛(wèi)冕？

趙婀娜+王偉健+侯文曉

北京時間2017年11月17日凌晨，在美國丹佛舉行的全球超級計算大會上，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授付昊桓等共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊所完成的“非線性地震模擬”應(yīng)用獲得國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎“戈登·貝爾”獎，實現(xiàn)了我國高性能計算應(yīng)用在此項大獎上的蟬聯(lián)。

“戈登·貝爾”獎設(shè)立于1987年，是國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域的最高獎項，旨在鼓勵將超級計算機(jī)的超強(qiáng)計算能力投入應(yīng)用之中。過去30年中，美、日研究人員憑借運行在美國“泰坦”超級計算機(jī)、日本“京”超級計算機(jī)上的應(yīng)用，都曾連續(xù)獲得該獎項。2016年，基于“神威·太湖之光”的應(yīng)用“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”折桂，實現(xiàn)了該獎創(chuàng)辦30年以來我國零的突破。

設(shè)計實現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具

本次獲獎的成果“非線性地震模擬”，設(shè)計實現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具，是超級計算機(jī)在地震災(zāi)害研究方面的一次成功應(yīng)用。

即使是在科技高度發(fā)展的今天，預(yù)測地震仍然是世界性難題。地震等地質(zhì)災(zāi)害對生命健康、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展產(chǎn)生巨大的破壞，不斷驅(qū)動科學(xué)家和工程師們?nèi)パ芯?、模擬甚至預(yù)測地震?！胺蔷€性地震模擬”項目首次實現(xiàn)了對1976年唐山大地震的高分辨率精確模擬，使科學(xué)家可以更好地理解唐山大地震所造成的影響，并對未來地震預(yù)防預(yù)測等研究具有重要借鑒意義。

研究團(tuán)隊選取了唐山大地震震源附近達(dá)320公里×312公里×40公里的空間區(qū)域，以0.001秒為時間單位，精確模擬了該區(qū)域在地震發(fā)生后150秒內(nèi)的地質(zhì)變化，分辨率可達(dá)到8米，頻率可達(dá)到18赫茲。分辨率越高、頻率越高，對地震模擬刻畫越精確，能模擬地震的震級越大，而頻率越高，則對高頻信息的刻畫越準(zhǔn)確。而在此之前，美國團(tuán)隊在“泰坦”超級計算機(jī)上運行的地震模擬，分辨率和頻率只有20米、10赫茲。

預(yù)測地震的主要困難在于要同時對時間、空間和地震強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，而付昊桓團(tuán)隊將地震預(yù)測問題轉(zhuǎn)化為地震模擬“亞”問題，對已知地點發(fā)生的地震進(jìn)行時間、地震強(qiáng)度的模擬，針對余震預(yù)測、震級—頻度關(guān)系、基于地震過程情景模擬的震害預(yù)測等進(jìn)行了研究，難度大幅降低，對抗震防災(zāi)同樣有重要意義?！氨M管地震無法預(yù)測，但是基于這個模型，我們有望量化評估每個地點在發(fā)生地震時可能受到災(zāi)害有多大，對防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃設(shè)計有著重要意義?！备蛾换副硎尽?/p>

基于我國全自主研發(fā)的“神威·太湖之光”的超強(qiáng)計算能力

“非線性地震模擬”應(yīng)用基于“神威·太湖之光”超級計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系、計算機(jī)系與山東大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心和國家超級計算無錫中心等單位共同完成。

位于江蘇無錫濱湖區(qū)的“神威·太湖之光”是目前世界上最快的超級計算機(jī)，也是我國第一臺全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的超級計算機(jī)。其峰值運算性能達(dá)到每秒12.54億億次，持續(xù)性能為每秒9.3億億次，系統(tǒng)能效比高達(dá)每瓦特60.51億次，標(biāo)志著我國超級計算機(jī)不再單純以速度勝出，而是在自主可控、峰值速度、持續(xù)性能、綠色指標(biāo)等方面實現(xiàn)了全面突破，達(dá)到了新的高度。

在運算過程中，“神威·太湖之光”充分發(fā)揮了國產(chǎn)處理器在存儲、計算資源等方面的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)高達(dá)18.9PFlops（每秒一億八千九百萬億次浮點運算）的“非線性地震模擬”，也是國際上首次實現(xiàn)如此大規(guī)模下的高分辨率、高頻率的非線性可塑性地震模擬。

這樣高效率的取得離不開研究團(tuán)隊的新算法。為了使超級計算機(jī)達(dá)到最好的效能，研究團(tuán)隊設(shè)計了精巧的算法，解決了超級計算機(jī)計算過程中普遍存在的“內(nèi)存帶寬受限”問題，擴(kuò)展至全機(jī)超千萬核取得超過15PFlops（每秒一億五千萬億次浮點運算）的持續(xù)性能。這對超級計算機(jī)來說，可謂是如虎添翼。

本屆“戈登·貝爾”獎最終入圍的三個應(yīng)用課題中，兩個來自中國。除了“非線性地震模擬”，還有基于“神威·太湖之光”系統(tǒng)的另一項全機(jī)應(yīng)用“全球氣候模式的高性能模擬”。

超算應(yīng)用已涉及航空航天、工業(yè)設(shè)計、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域

“超級計算是基礎(chǔ)工程，是一個國家科技實力的體現(xiàn)，在科學(xué)與工程領(lǐng)域應(yīng)用最早、最廣泛，應(yīng)用效果最顯著，已同理論研究和科學(xué)實驗一起成為人類探索未知世界的三大科學(xué)手段，被稱為支撐科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第三個支柱?！备蛾换刚f。

超級計算機(jī)又被稱為“國之重器”，是解決重大工程和科學(xué)難題時難以取代的工具，也是解決國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展、國防建設(shè)等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)性問題的重要手段?！俺売嬎銠C(jī)的可持續(xù)發(fā)展，要與產(chǎn)業(yè)、學(xué)科發(fā)展相結(jié)合，需要各專業(yè)人才、交叉領(lǐng)域團(tuán)隊的共同努力?！眹页売嬎銦o錫中心主任、清華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授楊廣文介紹，“應(yīng)用上來了，才能真正發(fā)揮超算能力?！?/p>

目前，“神威·太湖之光”的應(yīng)用涉及生物科技、航空航天、氣象氣候、材料科學(xué)、海洋環(huán)境、機(jī)器學(xué)習(xí)、電磁仿真、工業(yè)設(shè)計、金融計算、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程、石油勘探等19個領(lǐng)域，支持國家重大科技應(yīng)用、先進(jìn)制造等領(lǐng)域解算任務(wù)幾百項，一年來共計完成200多萬項作業(yè)任務(wù)，平均每天完成近7000項作業(yè)任務(wù)。這些應(yīng)用中，既有代表未來“黑科技”發(fā)展方向的研究領(lǐng)域，比如“人造小太陽”，也就是核聚變發(fā)電的相關(guān)理論與實驗方面的模擬；也有重大工程領(lǐng)域的項目，比如C919大飛機(jī)多種飛行狀態(tài)的模擬、天宮系列航天飛行器的飛行狀態(tài)模擬；還有與老百姓生活相關(guān)的動畫制作，山東一家公司利用超算的超強(qiáng)能力進(jìn)行動漫制作，不僅動漫渲染效果更逼真，還能大幅縮短制作周期。“未來很有可能看到依托‘神威·太湖之光運算能力制作的國產(chǎn)動畫大片?！睏顝V文說。

國家超算無錫中心還在考慮如何服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。“江蘇是制造業(yè)大省，如何幫助制造業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新，是我們考慮的重要應(yīng)用方向?！睏顝V文說，他們或?qū)⒔ǔ梢粋€產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心。目前，中國制造業(yè)大部分應(yīng)用軟件都是國外商用軟件，這方面無錫中心也在布局，例如與遠(yuǎn)景能源展開格林威治智慧風(fēng)場平臺建設(shè)，同時在汽車制造業(yè)、船舶制造、新藥研發(fā)等方面開展研究。

楊廣文說，未來，“神威·太湖之光”將圍繞世界重大科技需求，持續(xù)不斷地開展高性能計算應(yīng)用服務(wù)，為世界科技創(chuàng)新做貢獻(xiàn)，支持國家高性能計算發(fā)展戰(zhàn)略及創(chuàng)新型國家建設(shè)，將在能源環(huán)境、先進(jìn)制造等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

（本文轉(zhuǎn)自《人民日報》）endprint