高性能計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀及其在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用展望

孟憲佳,傅利平,劉 棟,楊文靜

(1.天津大學(xué) 公共管理學(xué)院,天津 300072；2.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心,北京 100044；3.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127)

高性能計(jì)算是研究、開(kāi)發(fā)和利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一門學(xué)科[1],其通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)互連的專用硬件集群計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大算力[2-4]。計(jì)算速度代表著高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的質(zhì)的突破和性能的綜合提升,是當(dāng)前各國(guó)角逐的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[5-6]。

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全對(duì)高性能計(jì)算有著迫切的需求[7-8],解決能源短缺、環(huán)境污染、災(zāi)害預(yù)防等我國(guó)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題,需要高性能計(jì)算的支持[9-10]。飛機(jī)、高鐵、大型裝備制造等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),對(duì)以計(jì)算為手段的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)有著廣泛的需求。關(guān)乎人民健康的精準(zhǔn)醫(yī)療、突發(fā)惡性傳染病緊急應(yīng)對(duì)等,對(duì)高性能計(jì)算也有迫切需求。在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域,高性能計(jì)算更是不可或缺的重要手段。

高性能計(jì)算對(duì)我國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)有極大的促進(jìn)作用。一方面促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)服務(wù)器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,帶動(dòng)了關(guān)鍵元器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。另一方面,高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展為高性能計(jì)算軟件產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ),國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境的發(fā)展將催生和提升我國(guó)的計(jì)算服務(wù)業(yè)[11-12]。

在高性能計(jì)算蓬勃發(fā)展的背景下,文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域也迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如何更好地利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高性能數(shù)字技術(shù),構(gòu)建對(duì)遺址、文物、古籍、傳承等物質(zhì)與非物質(zhì)文化遺產(chǎn)智能計(jì)算研究的新范式[13]，如何建立文化遺產(chǎn)數(shù)字化分析與展示的高性能平臺(tái),發(fā)揮跨學(xué)科優(yōu)勢(shì),為保護(hù)和傳承中華傳統(tǒng)文化做出新的貢獻(xiàn)[14-15]。

本文系統(tǒng)分析了目前國(guó)內(nèi)外高性能計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀,從文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)的各個(gè)階段出發(fā),分析了文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)對(duì)高性能計(jì)算的需求,并對(duì)其在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,為文化遺產(chǎn)保護(hù)研究領(lǐng)域快速了解高性能計(jì)算的研究現(xiàn)狀和對(duì)本領(lǐng)域的發(fā)展前景提供參考。

1 高性能計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀

最新一期的高性能計(jì)算TOP500榜單在2021年6月30日公布(前10位見(jiàn)表1),在該榜單中日本的“富岳”(Fugaku)高性能計(jì)算機(jī)繼續(xù)占據(jù)首位[16],該機(jī)在2020年6月問(wèn)世即問(wèn)鼎世界第一,雙精度浮點(diǎn)峰值性能達(dá)537.2 Pflop/s,后續(xù)算力還將繼續(xù)升級(jí),遠(yuǎn)超過(guò)排名第二的美國(guó)Summit高性能計(jì)算機(jī)。在前10高性能計(jì)算機(jī)表單中,美國(guó)研制5臺(tái)、中國(guó)研制2臺(tái)、日本研制1臺(tái)、歐盟研制2臺(tái),這一分布情況也揭示了世界上高性能計(jì)算機(jī)研究水平最高的幾個(gè)國(guó)家。從國(guó)家總算力角度來(lái)看,前500名上榜的高性能計(jì)算機(jī),美國(guó)以總算力856.8 Pflop/s，領(lǐng)先其他各國(guó),約占總算力的30.6%,日本總算力635.6 Pflop/s，緊隨其后,約占總算力的22.7%,我國(guó)總算力445.3 Pflop/s，位居第三,約占總算力的19.3%,歐盟等國(guó)約占總算力的16.4%(具體算力按照國(guó)家分布情況如圖1所示)。

表1 2021年世界高性能計(jì)算TOP500排名前十計(jì)算機(jī)Tab.1 TOP10 computers in the world′s TOP500 HPC in 2021

圖1 世界各國(guó)綜合算力占比圖Fig.1 The proportion chart of comprehensive calculation forces in the world

在這次排名中,中國(guó)制造的高性能計(jì)算機(jī)以186臺(tái)的數(shù)量在總數(shù)上遙遙領(lǐng)先,占比榜單中全部高性能計(jì)算機(jī)的37.4%,美國(guó)上榜123臺(tái),占比24.4%,其余各國(guó)研發(fā)的高性能計(jì)算機(jī)數(shù)量共占比38.6%,具體情況如圖2所示。

圖2 TOP500高性能計(jì)算機(jī)數(shù)量各國(guó)家占比圖Fig.2 Proportion chart of the number of TOP500 high-performance computers by country

研制性能第一的高性能計(jì)算機(jī)一直是各國(guó)追逐的目標(biāo)。自2013年6月以來(lái),我國(guó)的天河2號(hào)和神威太湖之光高性能計(jì)算機(jī)先后占據(jù)TOP500第一的位置,2018年6月美國(guó)Summit登頂TOP500,維持了2年的世界第一,2020年6月,日本的富岳擊敗美國(guó),奪得世界第一,并一直維持至今,自2012年來(lái)TOP500排名第一高性能計(jì)算機(jī)情況如圖3所示。從圖3我們還能看到2012年排名第一的Titan高性能計(jì)算機(jī)峰值性能僅有27.1 Pflop/s,隨后每臺(tái)登頂?shù)母咝阅苡?jì)算機(jī),峰值性能較之前的冠軍均有近一倍的提升,直到2020年的富岳高性能計(jì)算機(jī),峰值性能達(dá)到537.2 Pflop/s。可以預(yù)見(jiàn),下一臺(tái)問(wèn)鼎TOP500的高性能計(jì)算機(jī),峰值運(yùn)算性能必將達(dá)到E(1 000 Pflop/s)級(jí),世界各國(guó)為達(dá)到此目標(biāo),均開(kāi)展了相應(yīng)的部署。

美國(guó)正在實(shí)施的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算規(guī)劃NSCI,明確指出要維持并提升美國(guó)在高性能計(jì)算的主導(dǎo)地位。美國(guó)能源部為研制3臺(tái)E級(jí)計(jì)算機(jī)投資18億美元,第一臺(tái)E級(jí)機(jī)Aurora預(yù)計(jì)將在本年內(nèi)完成,持續(xù)性能將達(dá)到1 Eflop/s。這被稱為ECP計(jì)劃,是NSCI的一部分。后續(xù)的Frontier和El Capitan將在2022—2023年完成。

日本正在研發(fā)E級(jí)Post-K(后“京”)系統(tǒng),該系統(tǒng)作為日本超算“京”的后續(xù)產(chǎn)品,將采用目前已經(jīng)成功部署的富士通A64FX處理器,計(jì)算節(jié)點(diǎn)原型已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成,預(yù)計(jì)整機(jī)將在近兩年完成。

2017年,歐盟啟動(dòng)了E級(jí)計(jì)算的Euro HPC計(jì)劃,并在2020年底前給Euro HPC投資10億歐元。在下一期框架計(jì)劃(2021—2028年),參與Euro HPC的歐盟成員國(guó)將提供更多的配套經(jīng)費(fèi),預(yù)計(jì)將再投入27億歐元。歐盟將在2023年前打造歐洲的E級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施(3臺(tái)左右E級(jí)機(jī))。

“十三五”以來(lái),在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能計(jì)算重點(diǎn)專項(xiàng)”的支持下,2018年,我國(guó)成功研制了3臺(tái)E級(jí)驗(yàn)證原型系統(tǒng)。其中,曙光E級(jí)驗(yàn)證原型采用CPU+DCU的異構(gòu)加速結(jié)構(gòu),天河E級(jí)驗(yàn)證原型采用軟件定義的系統(tǒng)級(jí)異構(gòu)結(jié)構(gòu),神威E級(jí)驗(yàn)證原型采用基于片內(nèi)異構(gòu)眾核的結(jié)構(gòu)。在驗(yàn)證原型研制過(guò)程中,研發(fā)了高速節(jié)點(diǎn)、高速互連網(wǎng)、海量存儲(chǔ)、沉浸式冷卻等關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)了操作系統(tǒng)、編譯器、大規(guī)模并行軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境等系統(tǒng)軟件,一批典型應(yīng)用已在原型機(jī)上運(yùn)行,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的有效性,為E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。目前,E級(jí)計(jì)算機(jī)也在研制中,有望在算力上取得更大突破。

我國(guó)的高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展正處于十分關(guān)鍵的歷史時(shí)刻,一方面,我們已經(jīng)取得令人矚目的成就,但另一方面,也面臨著困難和挑戰(zhàn)。在計(jì)算機(jī)研制方面,我國(guó)長(zhǎng)期受西方國(guó)家的重點(diǎn)限制和封鎖,有相當(dāng)部分核心技術(shù)對(duì)外依賴性較高。如高端處理器、內(nèi)存器件、外存部件、制作工藝、設(shè)計(jì)工具、基礎(chǔ)軟件、工程計(jì)算軟件等都是自主發(fā)展的瓶頸。我國(guó)高性能計(jì)算應(yīng)用上的能力,包括應(yīng)用的軟件和水平,都與國(guó)際領(lǐng)先水平存在差距,軟件資源明顯不足。

圖3 近18次世界排名第一高性能計(jì)算機(jī)持續(xù)時(shí)間和峰值性能圖Fig.3 The duration and peak performance chart of the world′s top high-performance computer for nearly 18 times

2 文化遺產(chǎn)保護(hù)對(duì)高性能計(jì)算的需求

高性能計(jì)算誕生的前半個(gè)世紀(jì),其發(fā)展核心矛盾在于計(jì)算,也就是所謂的“計(jì)算密集型”高性能計(jì)算。隨著技術(shù)發(fā)展及高性能數(shù)據(jù)分析的出現(xiàn),數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,數(shù)據(jù)重要性越來(lái)越高,高性能計(jì)算開(kāi)始迎來(lái)“數(shù)據(jù)密集型”的新發(fā)展階段。高性能數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)在探索知識(shí)邊界、服務(wù)國(guó)計(jì)民生[17]、加速商業(yè)變現(xiàn)等領(lǐng)域發(fā)揮著著重要的作用,文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算的需求也日益迫切[18]。

傳統(tǒng)的文化遺產(chǎn)保護(hù)措施多是通過(guò)法律手段、引導(dǎo)民眾意識(shí)、定期修繕維護(hù)、培養(yǎng)后繼傳承等[19],這些只是最基本的保護(hù)方法。從目前來(lái)看，傳統(tǒng)的保護(hù)措施已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今文化遺產(chǎn)的保護(hù)需求。近年來(lái),隨著物質(zhì)文化遺產(chǎn)的不斷發(fā)現(xiàn)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的不斷增多,文化遺產(chǎn)保護(hù)在人力、物力、財(cái)力等方面需要投入的成本不斷增加,這對(duì)現(xiàn)有的保護(hù)辦法提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。借助現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段,使不斷增多的物質(zhì)與非物質(zhì)文化遺產(chǎn)得到保護(hù)勢(shì)在必行[20-22]。文化遺產(chǎn)保護(hù)的數(shù)字化和智慧化得益于高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù),文化遺產(chǎn)保護(hù)數(shù)字化和智慧化進(jìn)一步發(fā)展又對(duì)計(jì)算性能提出了新的需求[23]。

2.1 大型遺址遙感目標(biāo)監(jiān)測(cè)與識(shí)別

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展,各種遙感測(cè)量平臺(tái)層出不窮,通過(guò)遙感技術(shù)獲取的大型遺址遙感數(shù)據(jù)急劇膨脹。大型遺址遙感目標(biāo)監(jiān)測(cè)和識(shí)別涉及到遙感圖像及高光譜、多光譜、超光譜等數(shù)據(jù)[24],這些數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、運(yùn)算密集、算法復(fù)雜,因此對(duì)處理速度和處理精度的要求也越來(lái)越高,計(jì)算問(wèn)題成為這類遙感圖像處理的瓶頸問(wèn)題。為了提高大型遺址遙感數(shù)據(jù)處理的速度和監(jiān)測(cè)精度,解決大型遺址的準(zhǔn)確識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求,將大型遺址遙感圖像處理與高性能計(jì)算技術(shù)結(jié)合是遙感圖像處理發(fā)展的必然趨勢(shì)。例如,中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所微波遙感學(xué)科組的研究人員基于GPU構(gòu)建了CUDA運(yùn)算平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)高光譜數(shù)據(jù)算法以及WRF(weather research and forecasting)模型的高性能、并行計(jì)算。對(duì)ATGP(automatic target generation process)算法的加速比達(dá)到了362倍,對(duì)WRFGCE模型算法的加速比達(dá)到了361倍,對(duì)粗糙度計(jì)算的加速比實(shí)現(xiàn)了115倍。這些高性能算法的實(shí)現(xiàn)將為高效、實(shí)時(shí)的應(yīng)用大型古遺址遙感數(shù)據(jù)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 大型古文物、古遺址高精度三維重建

對(duì)文物進(jìn)行數(shù)字化三維重建不僅可以用于虛擬展示,更重要的是精確記錄文物原始的真實(shí)三維信息和紋理信息[25],為文物修繕和恢復(fù)提供了重要的數(shù)據(jù)和模型支持[26]。在大型古文物和古遺址的三維重建中,由于受到掃描范圍的限制,一個(gè)完整的模型需要激光掃描儀從不同的視點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾十次乃至上百次的掃描[27-28],點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能達(dá)到百萬(wàn)量級(jí),對(duì)其迭代計(jì)算,消除重疊的過(guò)程也對(duì)算力提出了極高的要求[29-30]。

遺址規(guī)模越大,其點(diǎn)云數(shù)據(jù)越多,所建模型的三角面片數(shù)量也就越大,數(shù)量級(jí)達(dá)到105～106。如果要保留古遺址模型的很多細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度三維重建,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化就要相對(duì)少,尤其是古遺址的細(xì)節(jié)部位,但這將導(dǎo)致所建立的模型的面片數(shù)量級(jí)高達(dá)1010,甚至更大[31-32]。盡管現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的性能有了很大的提高,但是對(duì)于如此龐大的數(shù)據(jù)量,在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和顯示分析等方面仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。一般的大型古建筑至少需要18個(gè)掃描站點(diǎn),每個(gè)站點(diǎn)大約有3×107個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度重建。例如,故宮大約有79座宮殿,總的點(diǎn)云數(shù)量將高達(dá)37.8×108個(gè),普通計(jì)算機(jī)很難完成這類大型遺址的高精度三維重建。而高性能計(jì)算擁有強(qiáng)大的圖形分析能力和并行計(jì)算能力,可以為大規(guī)模古遺址的三維重建提供算力和精度的保障,使古遺址三維重建工作更加方便而且迅速[33-34]。

2.3 文化遺產(chǎn)圖形與動(dòng)畫(huà)渲染

基于高度真實(shí)感的文化遺產(chǎn)圖形、動(dòng)畫(huà)離線渲染過(guò)程是在具有高計(jì)算能力的服務(wù)器上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算,進(jìn)而渲染出較為真實(shí)的畫(huà)面[35]。此外,隨著人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的快速發(fā)展,頭戴式顯示器、VR眼鏡等移動(dòng)處理器逐漸成為人工智能的重要工具,基于這些設(shè)備的虛擬漫游都需要擁有高質(zhì)量的渲染畫(huà)面,并給用戶提供可交互的渲染流程。但是，在低計(jì)算能力的便攜式設(shè)備上進(jìn)行高度真實(shí)感的渲染計(jì)算是非常困難的,因此發(fā)展高度真實(shí)感的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)非常重要。同時(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)時(shí)間有很高的要求，在文化遺產(chǎn)的虛擬漫游過(guò)程中,一旦圖像的繪制沒(méi)有在指定的時(shí)間內(nèi)完成,那么人的視覺(jué)圖形就會(huì)失真,進(jìn)而影響沉浸感。所以,必須在高性能計(jì)算集群上進(jìn)行異步渲染,來(lái)支持輕量級(jí)便攜式設(shè)備上的交互式應(yīng)用的渲染技術(shù)。例如在3D影視動(dòng)漫《尋夢(mèng)環(huán)游記》的制作過(guò)程中,主角米格進(jìn)入亡靈世界的畫(huà)面實(shí)際場(chǎng)景布置了870×104只燈,2 700×104個(gè)實(shí)體,渲染這個(gè)場(chǎng)景一幀的畫(huà)面需1 000 h。即使全球最頂尖的渲染團(tuán)隊(duì)一次又一次地優(yōu)化和渲染加速,最終渲染仍需每幀55 h。一部時(shí)長(zhǎng)約2 h的電影,花費(fèi)在渲染上的時(shí)間幾乎占到電影總制作時(shí)間的60%[36]。通過(guò)高性能計(jì)算建立涵蓋視頻圖像[37]、大型動(dòng)漫制作與渲染等的高性能應(yīng)用軟件系統(tǒng),將大幅提升對(duì)圖像和模型的渲染速度,能更加細(xì)致地顯示出文物的材質(zhì)紋理和光影效果,獲得具有顯示度的計(jì)算成果。

2.4 古遺址劣化模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

文化遺產(chǎn)受到多種風(fēng)險(xiǎn)因素的影響和威脅,威脅遺產(chǎn)長(zhǎng)久保存的許多病害往往是多種風(fēng)險(xiǎn)因素綜合作用的結(jié)果[38-40]。古遺址預(yù)防性保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)防控模型要實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境[41]、三維模型、網(wǎng)格等復(fù)合因素的實(shí)時(shí)海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)掘、評(píng)估和預(yù)警等功能。這會(huì)產(chǎn)生并存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù),許多算法和應(yīng)用需要上億甚至數(shù)十億規(guī)模的網(wǎng)格單元,傳統(tǒng)串行算法在時(shí)間和內(nèi)存空間上都無(wú)法滿足如此規(guī)模的網(wǎng)格生成需求[42-44]。此外,研究多因素綜合對(duì)古遺址劣化過(guò)程演化的模擬,也需要以超算為平臺(tái),實(shí)現(xiàn)地震、風(fēng)化、沙塵等復(fù)雜仿真模型[45]。如Heinecke等在2014年利用移植到高性能計(jì)算機(jī)的軟件,在整個(gè)高性能計(jì)算機(jī)上達(dá)到每秒1.8～2.0×1015次浮點(diǎn)運(yùn)算,成功模擬了1992年蘭德斯地震[46]。由于計(jì)算需求和數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,需要基于高性能計(jì)算對(duì)古建筑、古遺址進(jìn)行劣化模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,從而為我國(guó)的巨量的不可再生文化遺產(chǎn)資源有效預(yù)判。

2.5 文物數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘與可視化分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展,在過(guò)去若干年里積累了海量的、以不同形式存儲(chǔ)的文物數(shù)據(jù)資料,其數(shù)據(jù)規(guī)模在數(shù)十兆甚至成百上千兆字節(jié),需要處理的數(shù)據(jù)規(guī)模也越來(lái)越大,動(dòng)輒以GB,甚至TB計(jì)算[47]。然而,要從浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中快速且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)可用信息,讓數(shù)據(jù)“墳?zāi)埂弊兂蓴?shù)據(jù)“金庫(kù)”,數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的時(shí)間效率與空間可伸縮性成為這項(xiàng)技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

目前關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘通常應(yīng)用于小規(guī)模數(shù)據(jù)集和稀疏數(shù)據(jù)集,而面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí),需要消耗大量的時(shí)間和空間資源,并且也會(huì)因計(jì)算量的增加而速度減慢甚至無(wú)法運(yùn)行,這無(wú)疑成為許多數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法與可視化分析對(duì)海量數(shù)據(jù)處理的瓶頸。因此,為達(dá)到理想的挖掘效果,高性能并行計(jì)算的引入是非常有意義的。我國(guó)文物以及文化遺址眾多,據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)共登記不可移動(dòng)文物766 722處,而文物數(shù)量更是多達(dá)1億多件[48-49],這其中包含眾多且復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。若對(duì)全國(guó)1億多件文物數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘與可視化分析,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是無(wú)法一次性加載如此龐大的數(shù)據(jù)。而天河2號(hào)由16 000個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)有64 GB主存,共有1.024 PB內(nèi)存,外部存儲(chǔ)器容量方面更是高達(dá)12.4 PB[50],能夠一次性加載數(shù)據(jù),加快處理過(guò)程,減少I/O開(kāi)銷。

因此,高性能計(jì)算可對(duì)大規(guī)模計(jì)算處理的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存放[51-52],并利用其支持分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算的特性支撐海量數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析處理等工作。為考古人員提供所考文物更多、更復(fù)雜的信息[53-54],得到更加細(xì)致的文物模型和全面的關(guān)系數(shù)據(jù),從而更好地完善文化遺產(chǎn)的保護(hù)工作。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能計(jì)算在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面的應(yīng)用還在初級(jí)階段,但已經(jīng)探索出了一些切實(shí)可行的方法和思路,這對(duì)充分發(fā)揮高性能計(jì)算在文化遺產(chǎn)保護(hù)的潛力具有指導(dǎo)作用。

3 總結(jié)與展望

我國(guó)高性能計(jì)算堅(jiān)持走自主可控的發(fā)展道路,近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,并建成了以國(guó)家超算中心為骨干核心的國(guó)家超算基礎(chǔ)設(shè)施。但是應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到,國(guó)內(nèi)的技術(shù)條件還相對(duì)落后,我國(guó)高性能計(jì)算仍然存在著基礎(chǔ)核心技術(shù)對(duì)外依賴度高、國(guó)產(chǎn)處理器軟件生態(tài)薄弱、高性能計(jì)算應(yīng)用軟件自主研發(fā)和推廣應(yīng)用不足等問(wèn)題。在高端處理器和加速器,高性能內(nèi)存,特別是3D內(nèi)存;高性能互連,特別是全光互連,大規(guī)模并行算法和軟件,并行工業(yè)計(jì)算軟件等方面要切實(shí)下功夫,解決核心技術(shù)問(wèn)題,形成有中國(guó)特色的解決方案。要花大力氣研發(fā)基于國(guó)產(chǎn)處理器的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、基礎(chǔ)算法庫(kù)、開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具軟件、關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用軟件,并在研發(fā)過(guò)程中不斷轉(zhuǎn)化,形成軟件產(chǎn)品。要與人工智能、大數(shù)據(jù)等協(xié)同發(fā)展,既要研究如何更好地用高性能計(jì)算提供對(duì)人工智能和大數(shù)據(jù)的支撐,也要重視把人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)引入到對(duì)未來(lái)高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā),啟發(fā)未來(lái)機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)手段。

隨著高性能計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,文化遺產(chǎn)保護(hù)也將迎來(lái)新的發(fā)展階段。在大型遺址遙感目標(biāo)監(jiān)測(cè)與識(shí)別方面,可通過(guò)高性能并行計(jì)算提高遙感圖像大遺址目標(biāo)識(shí)別和監(jiān)測(cè)的計(jì)算和存儲(chǔ)瓶頸,解決海量大型遺址遙感影像處理低效率的問(wèn)題,加速遙感圖像大遺址目標(biāo)識(shí)別和監(jiān)測(cè)過(guò)程。在大型古文物、古遺址的高精度三維重建方面,可以通過(guò)高性能計(jì)算方式突破大規(guī)模點(diǎn)云坐標(biāo)配準(zhǔn)、密集網(wǎng)格生成、大尺度3D建模、細(xì)粒度紋理影射等計(jì)算瓶頸,獲得具有高精準(zhǔn)度和逼真還原的大型古文物、古遺址三維數(shù)字模型。在文化遺產(chǎn)圖形與動(dòng)畫(huà)渲染方面,研究大規(guī)模室外遺址場(chǎng)景地形實(shí)時(shí)繪制并行新方法,建立具有層次細(xì)節(jié)模型和地形分塊管理的多重映射地形繪制算法。結(jié)合室外遺址場(chǎng)景特點(diǎn)和現(xiàn)代高性能圖形硬件計(jì)算能力,研究場(chǎng)景分塊管理中動(dòng)態(tài)調(diào)度地形分塊新算法以及場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染等。在古遺址劣化模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面,研究基于環(huán)境復(fù)合因素的實(shí)時(shí)海量監(jiān)控大數(shù)據(jù)集成發(fā)掘、評(píng)估和預(yù)警技術(shù),從而建立基于多因素的古遺址劣化過(guò)程高性能演化模擬軟件系統(tǒng),建立文化遺產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和監(jiān)測(cè)預(yù)警,實(shí)現(xiàn)我國(guó)文化遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)。在文物數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘與可視化分析方面,研究高關(guān)聯(lián)性和高效的文物大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘與可視化分析方法,滿足學(xué)者和參觀者等多種用戶對(duì)文化遺產(chǎn)的個(gè)性化檢索、分析需求。

總之,在高性能計(jì)算的發(fā)展需要聚力攻關(guān),盡早突破關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,努力拓展應(yīng)用生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)軟硬件協(xié)同發(fā)展。作為高性能計(jì)算未來(lái)應(yīng)用的一個(gè)可能領(lǐng)域,文化遺產(chǎn)保護(hù)中的各種任務(wù)中需求日益迫切,需要在方法、技術(shù)、應(yīng)用等方面進(jìn)一步深入研究,以實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的落地應(yīng)用。