超算應用，中國何以衛冕？

　　北京時(shí)間11月17日凌晨，在美國丹佛舉行的全球超級計算大會(huì )上，由清華大學(xué)地球系統科學(xué)系副教授付昊桓等共同領(lǐng)導的團隊所完成的“非線(xiàn)性地震模擬”應用獲得國際高性能計算應用領(lǐng)域最高獎“戈登·貝爾”獎，實(shí)現了我國高性能計算應用在此項大獎上的蟬聯(lián)。20日，清華大學(xué)地球系統科學(xué)系召開(kāi)了成果發(fā)布會(huì )。

　　“戈登·貝爾”獎設立于1987年，是國際高性能計算應用領(lǐng)域的最高獎項，旨在鼓勵將超級計算機的超強計算能力投入應用之中。過(guò)去30年中，美、日研究人員憑借運行在美國“泰坦”超級計算機、日本“京”超級計算機上的應用，都曾連續獲得該獎項。去年，基于“神威·太湖之光”的應用“千萬(wàn)核可擴展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”折桂，實(shí)現了該獎創(chuàng )辦30年以來(lái)我國零的突破。

　　設計實(shí)現了高可擴展性的非線(xiàn)性地震模擬工具

　　本次獲獎的成果“非線(xiàn)性地震模擬”，設計實(shí)現了高可擴展性的非線(xiàn)性地震模擬工具，是超級計算機在地震災害研究方面的一次成功應用。

　　即使是在科技高度發(fā)展的今天，預測地震仍然是世界性難題。地震等地質(zhì)災害對生命健康、經(jīng)濟、社會(huì )發(fā)展產(chǎn)生巨大的破壞，不斷驅動(dòng)科學(xué)家和工程師們去研究、模擬甚至預測地震?！胺蔷€(xiàn)性地震模擬”項目首次實(shí)現了對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(lái)地震預防預測等研究具有重要借鑒意義。

　　研究團隊選取了唐山大地震震源附近達320公里×312公里×40公里的空間區域，以0.001秒為時(shí)間單位，精確模擬了該區域在地震發(fā)生后150秒內的地質(zhì)變化，分辨率可達到8米，頻率可達到18赫茲。分辨率越高、頻率越高，對地震模擬刻畫(huà)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(huà)越準確。而在此之前，美國團隊在“泰坦”超級計算機上運行的地震模擬，分辨率和頻率只有20米、10赫茲。

　　預測地震的主要困難在于要同時(shí)對時(shí)間、空間和地震強度進(jìn)行預測，而付昊桓團隊將地震預測問(wèn)題轉化為地震模擬“亞”問(wèn)題，對已知地點(diǎn)發(fā)生的地震進(jìn)行時(shí)間、地震強度的模擬，針對余震預測、震級—頻度關(guān)系、基于地震過(guò)程情景模擬的震害預測等進(jìn)行了研究，難度大幅降低，對抗震防災同樣有重要意義?！氨M管地震無(wú)法預測，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)可能受到災害有多大，對防災減災、城市規劃設計有著(zhù)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”的超強計算能力

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

　　位于江蘇無(wú)錫濱湖區的“神威·太湖之光”是目前世界上最快的超級計算機，也是我國第一臺全部采用國產(chǎn)處理器構建的超級計算機。其峰值運算性能達到每秒12.54億億次，持續性能為每秒9.3億億次，系統能效比高達每瓦特60.51億次，標志著(zhù)我國超級計算機不再單純以速度勝出，而是在自主可控、峰值速度、持續性能、綠色指標等方面實(shí)現了全面突破，達到了新的高度。

　　在運算過(guò)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(shí)現高達18.9PFlops(每秒1億8千9百萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算)的“非線(xiàn)性地震模擬”，也是國際上首次實(shí)現如此大規模下的高分辨率、高頻率的非線(xiàn)性可塑性地震模擬。

　　這樣高效率的取得離不開(kāi)研究團隊的新算法。為了使超級計算機達到最好的效能，研究團隊設計了精巧的算法，解決了超級計算機計算過(guò)程中普遍存在的“內存帶寬受限”問(wèn)題，擴展至全機超千萬(wàn)核取得超過(guò)15PFlops(每秒1億5千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算)的持續性能。這對超級計算機來(lái)說(shuō)，可謂是如虎添翼。

　　本屆“戈登·貝爾”獎最終入圍的3個(gè)應用課題中，兩個(gè)來(lái)自中國。除了“非線(xiàn)性地震模擬”，還有基于“神威·太湖之光”系統的另一項全機應用“全球氣候模式的高性能模擬”。

　　超算應用已涉及航空航天、工業(yè)設計、生物醫藥等眾多領(lǐng)域

　　“超級計算是基礎工程，是一個(gè)國家科技實(shí)力的體現，在科學(xué)與工程領(lǐng)域應用最早、最廣泛，應用效果最顯著(zhù)，已同理論研究和科學(xué)實(shí)驗一起成為人類(lèi)探索未知世界的三大科學(xué)手段，被稱(chēng)為支撐科學(xué)發(fā)現的第三個(gè)支柱?！备蛾换刚f(shuō)。

　　超級計算機又被稱(chēng)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)濟建設、社會(huì )發(fā)展、國防建設等領(lǐng)域重大挑戰性問(wèn)題的重要手段?！俺売嬎銠C的可持續發(fā)展，要與產(chǎn)業(yè)、學(xué)科發(fā)展相結合，需要各專(zhuān)業(yè)人才、交叉領(lǐng)域團隊的共同努力?！眹页売嬎銦o(wú)錫中心主任、清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系教授楊廣文介紹，“應用上來(lái)了，才能真正發(fā)揮超算能力?！?/p>

　　目前，“神威·太湖之光”的應用涉及生物科技、航空航天、氣象氣候、材料科學(xué)、海洋環(huán)境、機器學(xué)習、電磁仿真、工業(yè)設計、金融計算、生物醫藥、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用、先進(jìn)制造等領(lǐng)域解算任務(wù)幾百項，一年來(lái)共計完成200多萬(wàn)項作業(yè)任務(wù)，平均每天完成近7000項作業(yè)任務(wù)。這些應用中，既有代表未來(lái)“黑科技”發(fā)展方向的研究領(lǐng)域，比如“人造小太陽(yáng)”，也就是核聚變發(fā)電的相關(guān)理論與實(shí)驗方面的模擬;也有重大工程領(lǐng)域的項目，比如C919大飛機多種飛行狀態(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(huà)制作，山東一家公司利用超算的超強能力進(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?lái)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(dòng)畫(huà)大片?！睏顝V文說(shuō)。

　　國家超算無(wú)錫中心還在考慮如何服務(wù)地方經(jīng)濟?！敖K是制造業(yè)大省，如何幫助制造業(yè)實(shí)現創(chuàng )新，是我們考慮的重要應用方向?！睏顝V文說(shuō)，他們或將建成一個(gè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng )新中心。目前，中國制造業(yè)大部分應用軟件都是國外商用軟件，這方面無(wú)錫中心也在布局，例如與遠景能源展開(kāi)格林威治智慧風(fēng)場(chǎng)平臺建設，同時(shí)在汽車(chē)制造業(yè)、船舶制造、新藥研發(fā)等方面開(kāi)展研究。

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