超算應(yīng)用，中國何以衛(wèi)冕？

　　北京時(shí)間11月17日凌晨，在美國丹佛舉行的全球超級計(jì)算大會(huì)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(duì)所完成的“非線性地震模擬”應(yīng)用獲得國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)“戈登·貝爾”獎(jiǎng)，實(shí)現(xiàn)了我國高性能計(jì)算應(yīng)用在此項(xiàng)大獎(jiǎng)上的蟬聯(lián)。20日，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系召開了成果發(fā)布會(huì)。

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

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具

　　本次獲獎(jiǎng)的成果“非線性地震模擬”，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具，是超級計(jì)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(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大的破壞，不斷驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目首次實(shí)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(duì)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(shí)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(duì)在“泰坦”超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(shí)對時(shí)間、空間和地震強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，而付昊桓團(tuán)隊(duì)將地震預(yù)測問題轉(zhuǎn)化為地震模擬“亞”問題，對已知地點(diǎn)發(fā)生的地震進(jìn)行時(shí)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(gè)模型，我們有望量化評估每個(gè)地點(diǎn)在發(fā)生地震時(shí)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(jì)有著重要意義?！备蛾换副硎?。

　　基于我國全自主研發(fā)的“神威·太湖之光”的超強(qiáng)計(jì)算能力

　　“非線性地震模擬”應(yīng)用基于“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系、計(jì)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(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心和國家超級計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)。其峰值運(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了全面突破，達(dá)到了新的高度。

　　在運(yùn)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(chǔ)、計(jì)算資源等方面的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)18.9PFlops(每秒1億8千9百萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)的“非線性地震模擬”，也是國際上首次實(shí)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(duì)的新算法。為了使超級計(jì)算機(jī)達(dá)到最好的效能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了精巧的算法，解決了超級計(jì)算機(jī)計(jì)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1億5千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)的持續(xù)性能。這對超級計(jì)算機(jī)來說，可謂是如虎添翼。

　　本屆“戈登·貝爾”獎(jiǎng)最終入圍的3個(gè)應(yīng)用課題中，兩個(gè)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(xiàng)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(jì)、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域

　　“超級計(jì)算是基礎(chǔ)工程，是一個(gè)國家科技實(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)支柱?！备蛾换刚f。

　　超級計(jì)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(shí)難以取代的工具，也是解決國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)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。“超級計(jì)算機(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(duì)的共同努力?！眹页売?jì)算無錫中心主任、清華大學(xué)計(jì)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(jì)、金融計(jì)算、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程、石油勘探等19個(gè)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(xiàng)，一年來共計(jì)完成200多萬項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，平均每天完成近7000項(xiàng)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(shí)驗(yàn)方面的模擬;也有重大工程領(lǐng)域的項(xiàng)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(dòng)畫制作，山東一家公司利用超算的超強(qiáng)能力進(jìn)行動(dòng)漫制作，不僅動(dòng)漫渲染效果更逼真，還能大幅縮短制作周期?！拔磥砗苡锌赡芸吹揭劳小裢ぬ狻\(yùn)算能力制作的國產(chǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，是我們考慮的重要應(yīng)用方向。”楊廣文說，他們或?qū)⒔ǔ梢粋€(gè)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(shí)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(jì)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(jì)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。