“超級(jí)大腦”提速

陳冰

上海超級(jí)計(jì)算中心今年將從每秒400萬(wàn)億次的計(jì)算能力提速至每秒2500萬(wàn)億次，2020年將力爭(zhēng)“E”級(jí)機(jī)（每秒可計(jì)算百億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，為“神威太湖之光”的10倍）落戶上海，為科創(chuàng)中心建設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)支撐。

上?？萍紕?chuàng)新的“超級(jí)大腦”——上海超級(jí)計(jì)算中心到今年已經(jīng)跨過(guò)了17個(gè)年頭。作為全國(guó)首家面向社會(huì)開(kāi)放、資源共享的第三方公共服務(wù)平臺(tái)，上海超級(jí)計(jì)算中心為來(lái)自各領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)創(chuàng)新、城市智慧管理等提供高性能計(jì)算服務(wù)，是國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)時(shí)間最長(zhǎng)、經(jīng)驗(yàn)最豐富、用戶最多、應(yīng)用最廣的超級(jí)計(jì)算中心。

在上海超算中心一樓機(jī)房外的屏幕上可以看到，紅、綠兩色的比重各占一半，紅色表示排隊(duì)，綠色表示運(yùn)行?！坝肋h(yuǎn)都有用戶在排隊(duì)，這是超算中心的常態(tài)?！鄙虾３?jí)計(jì)算中心主任周曦民說(shuō)。

2000年12月，上海超算中心作為上海市一號(hào)工程成立，在之后的8年時(shí)間里，這里是全國(guó)唯一一家超算中心；2009年6月，上海超算中心上線不久的主機(jī)“魔方”榮登全球最快計(jì)算機(jī)排行榜Top500的第十名，那時(shí)的運(yùn)算速度是200萬(wàn)億次/秒。

去年6月，德國(guó)法蘭克福國(guó)際超算大會(huì)（ISC）公布了新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500榜單，由國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威太湖之光”以超第二名近3倍的運(yùn)算速度奪得第一，其運(yùn)算峰值性能達(dá)到每秒12.5億億次，持續(xù)性能達(dá)到每秒9.3億億次，是全球第一臺(tái)運(yùn)行速度超過(guò)每秒10億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

說(shuō)得通俗一點(diǎn)，“神威太湖之光”一分鐘的計(jì)算能力相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個(gè)人臺(tái)式機(jī)作參照，“神威太湖之光”相當(dāng)于200多萬(wàn)臺(tái)普通電腦。

相比之下，上海超級(jí)計(jì)算中心的計(jì)算資源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前的需求。雖然在一段時(shí)間內(nèi)，上海超算中心用出色的運(yùn)維能力彌補(bǔ)了計(jì)算能力的不足，但作為上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的計(jì)算能力提供方和數(shù)據(jù)支持方，運(yùn)算能力的不足依然是上海超算中心的“短板”。

好消息是，上海超級(jí)計(jì)算中心今年將從每秒400萬(wàn)億次的計(jì)算能力提速至每秒2500萬(wàn)億次，2020年將力爭(zhēng)“E”級(jí)機(jī)（每秒可計(jì)算百億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，為“神威太湖之光”的10倍）落戶上海，為科創(chuàng)中心建設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)支撐。

“超級(jí)大腦”新任務(wù)

理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、計(jì)算模擬是當(dāng)今科技創(chuàng)新的三大主要手段。超級(jí)計(jì)算機(jī)作為計(jì)算模擬的主要工具，是不可或缺的科研基礎(chǔ)設(shè)施，也是國(guó)家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分，已成為世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

30年前，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)用戶有一個(gè)神秘的“玻璃房”：美國(guó)人把一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)賣給中國(guó)，用不透明的玻璃包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，中國(guó)技術(shù)人員沒(méi)有授權(quán)不得入內(nèi)。全國(guó)只有幾個(gè)有授權(quán)的科學(xué)家能夠進(jìn)入玻璃房，而且是在美國(guó)人的監(jiān)視下，一旦程序運(yùn)行完，機(jī)器立即被鎖回玻璃房。那個(gè)所謂的超算速度，在今天看來(lái)充其量只是一臺(tái)高性能電腦，但對(duì)于當(dāng)時(shí)的中國(guó)來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)難以企及的高峰。

上世紀(jì)80年代，我國(guó)已逐步邁入獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國(guó)家之列，但卻因核心處理器等關(guān)鍵部件與技術(shù)的短板只能受制于人，直接導(dǎo)致了我國(guó)雖是國(guó)外超級(jí)計(jì)算機(jī)“大買家”，卻無(wú)法擁有匹配的“議價(jià)權(quán)”。

步入“十二五”，在國(guó)家863項(xiàng)目重點(diǎn)支持下，我國(guó)超級(jí)計(jì)算發(fā)展不斷取得突破。“天河二號(hào)”問(wèn)鼎“六連冠”的同時(shí)，在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單上，中國(guó)制造的名單正越來(lái)越長(zhǎng)，這引起了美國(guó)的警惕。2015年4月，美國(guó)政府宣布，把與超級(jí)計(jì)算機(jī)相關(guān)的4家中國(guó)機(jī)構(gòu)列入限制出口名單，目的就在于通過(guò)限售，鎖死中國(guó)超算快速發(fā)展的腳步。封鎖反而帶來(lái)了激勵(lì)，讓我國(guó)下大力氣研發(fā)全國(guó)產(chǎn)化的“神威”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)，直至2016年再次登頂國(guó)際榜單。

事實(shí)上，正是基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略性地位和集約化建設(shè)的考慮，2000年上海市政府就高瞻遠(yuǎn)矚決策成立建設(shè)了上海超級(jí)計(jì)算中心，并取得了重大成效。

成立十余年來(lái)，上海超級(jí)計(jì)算中心的高性能計(jì)算服務(wù)立足上海，輻射華東，面向全國(guó)，用戶遍及全國(guó)33個(gè)省市自治區(qū)，建立起了符合行業(yè)特點(diǎn)并廣受用戶好評(píng)的運(yùn)維和服務(wù)體系，支撐了一大批國(guó)家和地方政府的重大科學(xué)研究、重大工程和企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)了國(guó)家重大裝備、關(guān)鍵設(shè)備、能源安全、核心技術(shù)等一系列工程問(wèn)題的解決，在航空、航天、汽車、船舶、鋼鐵、微電子、核電工程、裝備制造、土木工程、環(huán)境氣候、藥物設(shè)計(jì)、生命科學(xué)、新材料、新能源、天文、物理、化學(xué)等數(shù)十個(gè)重大工程和基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域催生了一批重大成果，充分發(fā)揮了公共服務(wù)平臺(tái)的支撐作用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2016年，上海提出建設(shè)上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心。通過(guò)國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)，上海將打造全球領(lǐng)先的大型科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施，提升科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施的共享與效益，完善科學(xué)研究創(chuàng)新體系與生態(tài)環(huán)境，集聚科學(xué)研究人才，產(chǎn)生重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

上海超級(jí)計(jì)算中心作為基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分是支撐科技創(chuàng)新的“超級(jí)大腦”，自然又有了更新的發(fā)展方向與功能定位——建設(shè)世界一流的高性能計(jì)算、科創(chuàng)云和科研大數(shù)據(jù)三大服務(wù)平臺(tái)，以及應(yīng)用研發(fā)與產(chǎn)業(yè)孵化基地。

未來(lái)上海的高性能計(jì)算體系（包括上海超級(jí)計(jì)算中心）將作為國(guó)家科學(xué)中心大體系的重要組成，既要支撐國(guó)家科學(xué)中心體系內(nèi)大科學(xué)裝置的研制和應(yīng)用、基礎(chǔ)科學(xué)研究的高性能計(jì)算需求，又要滿足工業(yè)創(chuàng)新等其他社會(huì)各類用戶的高性能計(jì)算需求，支撐“原始創(chuàng)新”和“從頭設(shè)計(jì)”。

同時(shí)，中心還將重點(diǎn)支持健康大數(shù)據(jù)、氣象大數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用；重點(diǎn)支持上海光源、蛋白質(zhì)設(shè)施等大科學(xué)裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，促進(jìn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和工程創(chuàng)新，帶動(dòng)高端科研人員的高度匯集和全球協(xié)同。

“超級(jí)大腦”的“應(yīng)用戰(zhàn)”

全球超算，唯快不破。致力超算研究的意義不僅僅是“速度戰(zhàn)”，更重要的是贏得“應(yīng)用戰(zhàn)”。

上海超級(jí)計(jì)算中心成立十幾年來(lái)，組建起了一支經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)維隊(duì)伍，儲(chǔ)備了眾多交叉學(xué)科人才，為上海工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、重大基礎(chǔ)工程建設(shè)、精確天氣預(yù)報(bào)、防污染擴(kuò)散、海洋潮汐預(yù)報(bào)、汛期減災(zāi)防災(zāi)等做出了重大貢獻(xiàn)。

在上海超級(jí)計(jì)算中心大樓的一樓主機(jī)房區(qū)，可以近距離地看到工作中的超級(jí)計(jì)算機(jī)，通道兩邊的液晶顯示器更是實(shí)時(shí)顯示超級(jí)計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)和應(yīng)用成果。在記者的探訪中，首先映入眼簾的顯示數(shù)據(jù)就是大家最關(guān)心的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

上海超級(jí)計(jì)算中心系統(tǒng)運(yùn)維部部長(zhǎng)魏玉琪指出，上海超算的高性能計(jì)算和存儲(chǔ)資源不僅支撐著上海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的長(zhǎng)三角區(qū)域預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)，更是在2016年9月G20峰會(huì)期間，全力支持和保障環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)G20區(qū)域空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)工作?！叭粘Ｇ闆r下，中心每日為環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供840核（35個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)），專用的存儲(chǔ)資源32TB。而在G20峰會(huì)保障期間每日提供1200計(jì)算核（50個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)）。2016年下半年期間環(huán)境監(jiān)測(cè)中心合計(jì)使用了計(jì)算資源124萬(wàn)核小時(shí)?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/03/20/xmzk201710xmzk20171027-2-l.jpg">

魏玉琪還指出，通過(guò)對(duì)天氣大數(shù)據(jù)的不斷收集和分析，天氣預(yù)報(bào)的模型將越來(lái)越精準(zhǔn)，系統(tǒng)綜合判斷同樣環(huán)境條件下，歷史上出現(xiàn)的陰晴雨雪的情形，從而推斷出當(dāng)下以及未來(lái)的天氣走勢(shì)。“市民未必知道天氣預(yù)報(bào)員都是怎么算的，但最直觀的感受就是天氣預(yù)報(bào)越來(lái)越準(zhǔn)了?！?/p>

上海超級(jí)計(jì)算中心研究發(fā)展部部長(zhǎng)、首席計(jì)算科學(xué)工程師王濤博士告訴記者，無(wú)論速度有多快，發(fā)展超算始終是為了“致用”，而這仍然是當(dāng)前我國(guó)超算發(fā)展的短板。

“許多超級(jí)計(jì)算中心擁有了世界級(jí)的計(jì)算能力，但是在如何應(yīng)用上卻‘跑得并不順暢。我們的一些客戶因?yàn)樾枰抨?duì)等待資源而選擇了其他超算中心，但是轉(zhuǎn)了一圈以后又回到了上海超算中心。因?yàn)樯虾３隳軌驇椭麄兲峁┫鄳?yīng)的解決方案，而不僅僅是跑數(shù)據(jù)。超算中心的技術(shù)人員不僅要懂編程，更要懂相應(yīng)的物理、化學(xué)、天文知識(shí)，只有這樣，才能幫助客戶設(shè)計(jì)合理的算法、模型，得到更加專業(yè)的結(jié)果?！?/p>

王濤舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。通過(guò)應(yīng)用流體力學(xué)的原理，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬飛機(jī)在空氣中的狀態(tài)，改進(jìn)飛機(jī)的性能。原來(lái)高成本的飛機(jī)要做多次風(fēng)洞試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，就達(dá)到同樣的效果。ARJ21支線飛機(jī)和研制中的大飛機(jī)，許多前期設(shè)計(jì)工作都是在上海超級(jí)計(jì)算中心完成的。

“現(xiàn)在新車型研制必須經(jīng)過(guò)安全性能測(cè)試。如果每個(gè)車型全部使用真車進(jìn)行安全性能測(cè)試，大約需要損耗100多輛新車，如今使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬汽車碰撞，只需要原來(lái)的十分之一真車測(cè)試，其余測(cè)試工作都可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。因此在汽車研發(fā)領(lǐng)域，不少車企都會(huì)借力上海超算?！?/p>

王濤說(shuō)，為研發(fā)符合2018年五星標(biāo)準(zhǔn)的汽車，上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司就長(zhǎng)期運(yùn)用超算中心的資源為他們研發(fā)新車。“通常一個(gè)汽車側(cè)面相撞的真車實(shí)驗(yàn)至少要花費(fèi)至少十幾萬(wàn)元，但是利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，可以將兩車全身布滿無(wú)數(shù)個(gè)方格，利用物理受力原理，準(zhǔn)確模擬出兩車相撞可能導(dǎo)致的車輛損毀狀況，幫助車企優(yōu)化新車設(shè)計(jì)方案，而這樣的運(yùn)算成本可能只要數(shù)千元而已。”

在上海光源、上海崇明越江隧道、上海外環(huán)線隧道、上海復(fù)興路雙層隧道、上海青草沙水源市政工程等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中，上海超算也發(fā)揮了重大作用?！吧虾９庠磳?duì)抗震有特別嚴(yán)格的要求。當(dāng)初一共有三種施工方案來(lái)解決地下工程的防震問(wèn)題。上海超算通過(guò)精密計(jì)算，最終找出了最佳的解決方案。上海到崇明的隧橋工程，隧道盾構(gòu)直徑達(dá)15米，大型工程會(huì)遇到很多難題，工程技術(shù)人員只要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上建立三維模型，模擬整個(gè)隧道掘進(jìn)過(guò)程，就可以幫助施工人員強(qiáng)化控制施工過(guò)程和各種風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

助力基礎(chǔ)科研

上海超級(jí)計(jì)算中心主任周曦民自豪地表示，上海超級(jí)計(jì)算中心90%以上的資源用于支持973、863、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多種科研計(jì)劃，促進(jìn)了基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新研究，催生了大量具有國(guó)際影響力的科研成果。

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所高嶷研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立一個(gè)新型理論模型，有效模擬了水汽環(huán)境對(duì)金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)形貌的影響。研究顯示，環(huán)境溫度與水汽壓強(qiáng)能夠顯著改變金屬納米顆粒的形貌結(jié)構(gòu)。過(guò)去水環(huán)境對(duì)于固體納米材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響沒(méi)有得到足夠的重視，現(xiàn)在借助于自主開(kāi)發(fā)的多尺度模型和計(jì)算機(jī)模擬，可以成功觀察到銅納米顆粒在不同水汽環(huán)境中的穩(wěn)定構(gòu)型。同時(shí)，還可以對(duì)水汽環(huán)境中金、鉑、鈀等常用納米催化劑的形貌進(jìn)行構(gòu)建。

這一工作不僅對(duì)納米催化以及納米材料學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)學(xué)家能起到很好的理論指引作用，有助于人們正確認(rèn)識(shí)水-固相互作用，同時(shí)為進(jìn)一步研究介觀尺度上外界環(huán)境對(duì)固體材料的影響提供了一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的理論模型。

抗凍蛋白是生活在寒冷區(qū)域的生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然選擇進(jìn)化產(chǎn)生的一類用于防止生物體內(nèi)結(jié)冰而導(dǎo)致生物體死亡的功能性蛋白質(zhì)。對(duì)于抗凍蛋白抗凍機(jī)制的研究有助于揭開(kāi)冰晶成核、生長(zhǎng)和冰晶形貌調(diào)控的分子層面的機(jī)理。因而，自上世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白以來(lái)，科研人員對(duì)這類蛋白的抗凍機(jī)制進(jìn)行了近半個(gè)世紀(jì)的研究。但是，科研人員對(duì)抗凍蛋白在調(diào)控冰晶成核的機(jī)制一直有爭(zhēng)議，即有些科研人員認(rèn)為抗凍蛋白能促進(jìn)冰核的形成，而另一些科研人員認(rèn)為抗凍蛋白可以抑制冰核的生成。

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理所方海平研究員與合作者根據(jù)抗凍蛋白的冰結(jié)合面（ice-binding face）和非冰結(jié)合面 （non-ice-binding face）具有截然不同官能團(tuán)的特性，將抗凍蛋白定向固定于固體基底，選擇性地研究了抗凍蛋白冰結(jié)合面與非冰結(jié)合面對(duì)冰核形成的影響。研究表明抗凍蛋白的不同面對(duì)冰核的形成表現(xiàn)出完全相反的效應(yīng)：冰結(jié)合面促進(jìn)冰晶成核，而非冰結(jié)合面抑制冰晶成核。

研究員們還通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，進(jìn)一步研究了抗凍蛋白的冰結(jié)合面和非冰結(jié)合面界面水的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了冰結(jié)合面上羥基和甲基有序間隔排列使得冰結(jié)合面上形成類冰水合層，從而促進(jìn)冰核生成；而非冰結(jié)合面上存在的帶電荷側(cè)鏈及疏水性側(cè)鏈，使得非冰結(jié)合面上的界面水無(wú)序，從而抑制冰核形成。從而揭示了抗凍蛋白對(duì)冰成核“Janus”效應(yīng)分子層面的機(jī)制。

這項(xiàng)研究大大加深了人們對(duì)抗凍蛋白分子層面防凍機(jī)制的理解，同時(shí)對(duì)仿生合成防覆冰材料和低溫器官保存材料有著重要的指導(dǎo)意義。

周曦民主任感慨，上海超級(jí)計(jì)算中心成立十幾年來(lái)，總投入不過(guò)6億元人民幣，有力地支撐了基礎(chǔ)科學(xué)和工業(yè)工程領(lǐng)域的原始創(chuàng)新，促進(jìn)了重大成果的產(chǎn)出和關(guān)鍵問(wèn)題的解決。但計(jì)算資源不足的“短板”制約了超算中心的發(fā)展，要力爭(zhēng)將“E”級(jí)機(jī)落戶到上海，這才能進(jìn)一步夯實(shí)張江國(guó)家科學(xué)中心的地基。