“超級大腦”提速

陳冰

上海超級計(jì)算中心今年將從每秒400萬億次的計(jì)算能力提速至每秒2500萬億次，2020年將力爭“E”級機(jī)（每秒可計(jì)算百億億次的超級計(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。

上海科技創(chuàng)新的“超級大腦”——上海超級計(jì)算中心到今年已經(jīng)跨過了17個年頭。作為全國首家面向社會開放、資源共享的第三方公共服務(wù)平臺，上海超級計(jì)算中心為來自各領(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)，是國內(nèi)運(yùn)營時間最長、經(jīng)驗(yàn)最豐富、用戶最多、應(yīng)用最廣的超級計(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。“永遠(yuǎn)都有用戶在排隊(duì)，這是超算中心的常態(tài)。”上海超級計(jì)算中心主任周曦民說。

2000年12月，上海超算中心作為上海市一號工程成立，在之后的8年時間里，這里是全國唯一一家超算中心；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，那時的運(yùn)算速度是200萬億次/秒。

去年6月，德國法蘭克福國際超算大會（ISC）公布了新一期全球超級計(jì)算機(jī)Top500榜單，由國家并行計(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，是全球第一臺運(yùn)行速度超過每秒10億億次的超級計(jì)算機(jī)。

說得通俗一點(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人臺式機(jī)作參照，“神威太湖之光”相當(dāng)于200多萬臺普通電腦。

相比之下，上海超級計(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，上海超級計(jì)算中心今年將從每秒400萬億次的計(jì)算能力提速至每秒2500萬億次，2020年將力爭“E”級機(jī)（每秒可計(jì)算百億億次的超級計(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。

“超級大腦”新任務(wù)

理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)測試、計(jì)算模擬是當(dāng)今科技創(chuàng)新的三大主要手段。超級計(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，也是國家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分，已成為世界各國特別是發(fā)達(dá)國家競相爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

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

上世紀(jì)80年代，我國已逐步邁入獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國家之列，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)致了我國雖是國外超級計(jì)算機(jī)“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價(jià)權(quán)”。

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

事實(shí)上，正是基于超級計(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)了上海超級計(jì)算中心，并取得了重大成效。

成立十余年來，上海超級計(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，用戶遍及全國33個省市自治區(qū)，建立起了符合行業(yè)特點(diǎn)并廣受用戶好評的運(yùn)維和服務(wù)體系，支撐了一大批國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)平臺的支撐作用，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

2016年，上海提出建設(shè)上海張江綜合性國家科學(xué)中心。通過國家科學(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，以及應(yīng)用研發(fā)與產(chǎn)業(yè)孵化基地。

未來上海的高性能計(jì)算體系（包括上海超級計(jì)算中心）將作為國家科學(xué)中心大體系的重要組成，既要支撐國家科學(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，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、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，帶動高端科研人員的高度匯集和全球協(xié)同。

“超級大腦”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)”。

上海超級計(jì)算中心成立十幾年來，組建起了一支經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)維隊(duì)伍，儲備了眾多交叉學(xué)科人才，為上海工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、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計(jì)算機(jī)，通道兩邊的液晶顯示器更是實(shí)時顯示超級計(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)測數(shù)據(jù)。

上海超級計(jì)算中心系統(tǒng)運(yùn)維部部長魏玉琪指出，上海超算的高性能計(jì)算和存儲資源不僅支撐著上海環(huán)境監(jiān)測中心的長三角區(qū)域預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)，更是在2016年9月G20峰會期間，全力支持和保障環(huán)境監(jiān)測中心對G20區(qū)域空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)工作。“日常情況下，中心每日為環(huán)境監(jiān)測中心提供840核（35個計(jì)算節(jié)點(diǎn)），專用的存儲資源32TB。而在G20峰會保障期間每日提供1200計(jì)算核（50個計(jì)算節(jié)點(diǎn)）。2016年下半年期間環(huán)境監(jiān)測中心合計(jì)使用了計(jì)算資源124萬核小時。”

魏玉琪還指出，通過對天氣大數(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)下以及未來的天氣走勢。“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)越來越準(zhǔn)了。”

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

“許多超級計(jì)算中心擁有了世界級的計(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，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。”

王濤舉了一個簡單的例子。通過應(yīng)用流體力學(xué)的原理，在超級計(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。原來高成本的飛機(jī)要做多次風(fēng)洞試驗(yàn)，通過計(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計(jì)算中心完成的。

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

王濤說，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)有限公司就長期運(yùn)用超算中心的資源為他們研發(fā)新車。“通常一個汽車側(cè)面相撞的真車實(shí)驗(yàn)至少要花費(fèi)至少十幾萬元，但是利用超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，可以將兩車全身布滿無數(shù)個方格，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。“上海光源對抗震有特別嚴(yán)格的要求。當(dāng)初一共有三種施工方案來解決地下工程的防震問題。上海超算通過精密計(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，大型工程會遇到很多難題，工程技術(shù)人員只要在超級計(jì)算機(jī)上建立三維模型，模擬整個隧道掘進(jìn)過程，就可以幫助施工人員強(qiáng)化控制施工過程和各種風(fēng)險(xiǎn)。”

助力基礎(chǔ)科研

上海超級計(jì)算中心主任周曦民自豪地表示，上海超級計(jì)算中心90%以上的資源用于支持973、863、國家科技支撐計(jì)劃、國家自然科學(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，催生了大量具有國際影響力的科研成果。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所高嶷研究員團(tuán)隊(duì)通過建立一個新型理論模型，有效模擬了水汽環(huán)境對金屬納米顆粒結(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)。過去水環(huán)境對于固體納米材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響沒有得到足夠的重視，現(xiàn)在借助于自主開發(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，還可以對水汽環(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)識水-固相互作用，同時為進(jìn)一步研究介觀尺度上外界環(huán)境對固體材料的影響提供了一個簡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)過長期自然選擇進(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)。對于抗凍蛋白抗凍機(jī)制的研究有助于揭開冰晶成核、生長和冰晶形貌調(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，科研人員對這類蛋白的抗凍機(jī)制進(jìn)行了近半個世紀(jì)的研究。但是，科研人員對抗凍蛋白在調(diào)控冰晶成核的機(jī)制一直有爭議，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)合面對冰核形成的影響。研究表明抗凍蛋白的不同面對冰核的形成表現(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。

研究員們還通過分子動力學(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)合面上的界面水無序，從而抑制冰核形成。從而揭示了抗凍蛋白對冰成核“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抗凍蛋白分子層面防凍機(jī)制的理解，同時對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，上海超級計(jì)算中心成立十幾年來，總投入不過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，要力爭將“E”級機(jī)落戶到上海，這才能進(jìn)一步夯實(shí)張江國家科學(xué)中心的地基。