超算應用，中國何以衛冕？

趙婀娜+王偉健+侯文曉

北京時間2017年11月17日凌晨，在美國丹佛舉行的全球超級計算大會上，由清華大學地球系統科學系副教授付昊桓等共同領導的團隊所完成的“非線性地震模擬”應用獲得國際高性能計算應用領域最高獎“戈登·貝爾”獎，實現了我國高性能計算應用在此項大獎上的蟬聯。

“戈登·貝爾”獎設立于1987年，是國際高性能計算應用領域的最高獎項，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。2016年，基于“神威·太湖之光”的應用“千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”折桂，實現了該獎創辦30年以來我國零的突破。

設計實現了高可擴展性的非線性地震模擬工具

本次獲獎的成果“非線性地震模擬”，設計實現了高可擴展性的非線性地震模擬工具，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展的今天，預測地震仍然是世界性難題。地震等地質災害對生命健康、經濟、社會發展產生巨大的破壞，不斷驅動科學家和工程師們去研究、模擬甚至預測地震。“非線性地震模擬”項目首次實現了對1976年唐山大地震的高分辨率精確模擬，使科學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秒為時間單位，精確模擬了該區域在地震發生后150秒內的地質變化，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對時間、空間和地震強度進行預測，而付昊桓團隊將地震預測問題轉化為地震模擬“亞”問題，對已知地點發生的地震進行時間、地震強度的模擬，針對余震預測、震級—頻度關系、基于地震過程情景模擬的震害預測等進行了研究，難度大幅降低，對抗震防災同樣有重要意義。“盡管地震無法預測，但是基于這個模型，我們有望量化評估每個地點在發生地震時可能受到災害有多大，對防災減災、城市規劃設計有著重要意義。”付昊桓表示。

基于我國全自主研發的“神威·太湖之光”的超強計算能力

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

位于江蘇無錫濱湖區的“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、綠色指標等方面實現了全面突破，達到了新的高度。

在運算過程中，“神威·太湖之光”充分發揮了國產處理器在存儲、計算資源等方面的優勢，可以實現高達18.9PFlops（每秒一億八千九百萬億次浮點運算）的“非線性地震模擬”，也是國際上首次實現如此大規模下的高分辨率、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程中普遍存在的“內存帶寬受限”問題，擴展至全機超千萬核取得超過15PFlops（每秒一億五千萬億次浮點運算）的持續性能。這對超級計算機來說，可謂是如虎添翼。

本屆“戈登·貝爾”獎最終入圍的三個應用課題中，兩個來自中國。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、工業設計、生物醫藥等眾多領域

“超級計算是基礎工程，是一個國家科技實力的體現，在科學與工程領域應用最早、最廣泛，應用效果最顯著，已同理論研究和科學實驗一起成為人類探索未知世界的三大科學手段，被稱為支撐科學發現的第三個支柱。”付昊桓說。

超級計算機又被稱為“國之重器”，是解決重大工程和科學難題時難以取代的工具，也是解決國家經濟建設、社會發展、國防建設等領域重大挑戰性問題的重要手段。“超級計算機的可持續發展，要與產業、學科發展相結合，需要各專業人才、交叉領域團隊的共同努力。”國家超級計算無錫中心主任、清華大學計算機科學與技術系教授楊廣文介紹，“應用上來了，才能真正發揮超算能力。”

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、海洋環境、機器學習、電磁仿真、工業設計、金融計算、生物醫藥、環境工程、石油勘探等19個領域，支持國家重大科技應用、先進制造等領域解算任務幾百項，一年來共計完成200多萬項作業任務，平均每天完成近7000項作業任務。這些應用中，既有代表未來“黑科技”發展方向的研究領域，比如“人造小太陽”，也就是核聚變發電的相關理論與實驗方面的模擬；也有重大工程領域的項目，比如C919大飛機多種飛行狀態的模擬、天宮系列航天飛行器的飛行狀態模擬；還有與老百姓生活相關的動畫制作，山東一家公司利用超算的超強能力進行動漫制作，不僅動漫渲染效果更逼真，還能大幅縮短制作周期。“未來很有可能看到依托‘神威·太湖之光運算能力制作的國產動畫大片。”楊廣文說。

國家超算無錫中心還在考慮如何服務地方經濟。“江蘇是制造業大省，如何幫助制造業實現創新，是我們考慮的重要應用方向。”楊廣文說，他們或將建成一個產業科技創新中心。目前，中國制造業大部分應用軟件都是國外商用軟件，這方面無錫中心也在布局，例如與遠景能源展開格林威治智慧風場平臺建設，同時在汽車制造業、船舶制造、新藥研發等方面開展研究。

楊廣文說，未來，“神威·太湖之光”將圍繞世界重大科技需求，持續不斷地開展高性能計算應用服務，為世界科技創新做貢獻，支持國家高性能計算發展戰略及創新型國家建設，將在能源環境、先進制造等領域發揮重要作用。

（本文轉自《人民日報》）endprint