文/齊記 高笑菲 楊瓊 周慶國

HPC在近物所

文/齊記1高笑菲1楊瓊1周慶國2

那些“做不起”及“做不了”的實(shí)驗(yàn)，高性能計算都能幫助我們實(shí)現(xiàn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)研究領(lǐng)域變得更加廣闊,研究內(nèi)容包羅萬象,研究方法也日新月異。但龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、復(fù)雜的計算方法、高昂的實(shí)驗(yàn)成本、普通計算機(jī)低效的計算速度，都讓科研人員傷透了腦筋。與此同時，隨著計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，使得科學(xué)計算技術(shù)成為與理論、實(shí)驗(yàn)具有同等地位的當(dāng)代科學(xué)研究的三大支柱。越來越多的科學(xué)研究和重大工程中的關(guān)鍵問題都必須依靠大規(guī)模、高性能的計算來完成。為了解決那些“做不起”及“做不了”的實(shí)驗(yàn)，提高計算機(jī)的計算性能迫在眉睫，高性能計算勢在必行。

中國科學(xué)院近代物理研究所以重離子核物理基礎(chǔ)研究和相關(guān)領(lǐng)域的交叉研究為主要學(xué)科方向，相應(yīng)發(fā)展加速器物理與技術(shù)及核技術(shù)，擁有蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室，在我國核物理界具有較高地位。中科院近物所超算中心現(xiàn)有深騰7000G超級計算集群一套，胖節(jié)點(diǎn)集群一套，數(shù)據(jù)庫集群一套（在建），專用工作站集群一套以及終端集群一套。其中深騰7000G超級計算集群是CPU/GPU混合集群，由聯(lián)想公司購進(jìn)（圖1），其余均是自建；圖2是自建胖節(jié)點(diǎn)集群和在建的數(shù)據(jù)庫集群。總的計算能力達(dá)到了250Tflops。

目前，超算中心主要服務(wù)于蘭州加速器國家實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：1. 加速器束流模擬研究；2.離子束與物質(zhì)相互作用研究；3. 重離子束與物質(zhì)相互作用后的缺陷擴(kuò)散研究；4. 材料的力學(xué)性質(zhì)研究；5. 加速器模擬研究； 7.流體力學(xué)模擬研究；6. 分子動力學(xué)研究； 8. 系統(tǒng)生物學(xué)研究等。下面簡要介紹這些應(yīng)用：

圖1 近物所深騰7000G超算集群

圖2 左邊是已建好的24核胖節(jié)點(diǎn)集群， 右邊是在建的數(shù)據(jù)庫集群和專用工作站集群。

加速器束流模擬研究

加速器束流是經(jīng)過加速器加速了的一束帶電粒子流，從加速器加速以后，具有很高的能量。我們的束流模擬以粒子模擬為基礎(chǔ)，能模擬束流在不同加速器中的運(yùn)行情況，為科研人員提供了直觀的認(rèn)識。更為重要的是，束流的模擬為調(diào)節(jié)加速器不同部件的參數(shù)提供了有力依據(jù)。

離子束與物質(zhì)相互作用研究

從加速器打出來的離子束可以與物質(zhì)相互作用，這種相互作用會影響到物質(zhì)的各種性質(zhì)。我們的相互作用程序是基于GPU的，目前二維模擬的粒子數(shù)目已經(jīng)可達(dá)10^9?；旧辖咏诤暧^物體。

重離子束與物質(zhì)相互作用后的缺陷擴(kuò)散研究

當(dāng)重離子束與物質(zhì)相互作用后，必然會在被轟擊物質(zhì)造成一定缺陷（或者說破壞）。這些缺陷在束流打過物質(zhì)之后仍然存在，最終影響物質(zhì)本身。關(guān)于缺陷擴(kuò)散，我們用了兩個模型來研究，一個是擴(kuò)散方程的方法，我們的GPU程序比CPU程序要快20倍以上；另一個是DLA模型，DLA模型是基于蒙特卡洛方法的，需要大量的隨機(jī)數(shù)，由于其本身的特點(diǎn)，采用DLA模型的缺陷擴(kuò)散程序比CPU只快8倍左右。但是仍然，我們將計算的實(shí)際尺寸擴(kuò)大了一個數(shù)量級。

材料的力學(xué)性質(zhì)研究

物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的模擬研究也是基于蘭州重離子國家實(shí)驗(yàn)室的加速器裝置。當(dāng)缺陷不再擴(kuò)散以后，物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的是否發(fā)生變化也是很重要的課題。例如，在考慮核電站的堆的材料時，那些材料處在高輻照環(huán)境下，經(jīng)過很長時間以后，材料的力學(xué)性質(zhì)是否發(fā)生變化，直接影響到反應(yīng)堆的安全性。因此，選擇新型材料，使其長時間適應(yīng)高輻照環(huán)境，是極端重要的。如果僅僅依靠實(shí)驗(yàn)，代價明顯太大。利用超級計算機(jī)來模擬材料的力學(xué)性質(zhì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對高輻照環(huán)境下的材料的選擇，還可以節(jié)省大量的時間和金錢。我們的力學(xué)性質(zhì)研究程序是基于GPU的，和CPU程序相比，GPU程序可以模擬更大尺寸，更長時間下的材料的性質(zhì)。

加速器模擬研究

眾所周知，加速器可以用于粒子對撞實(shí)驗(yàn)、質(zhì)量測量、生物輻照、束流診斷等基礎(chǔ)科學(xué)研究，世界各發(fā)達(dá)國家均有不同用途的加速器。但是加速器構(gòu)造復(fù)雜，造價高昂，維護(hù)成本極高。加速器模擬可以為加速器建造提供依據(jù)，也可以為加速器在運(yùn)行時的參數(shù)調(diào)節(jié)提供重要參考。我們的加速器模擬程序基于全三維PIC算法，能模擬部分加速器器件。

流體力學(xué)模擬研究

流體力學(xué)研究主要分兩個方面，一方面是利用商用軟件Ansys；另一方面是基于有限差分法的流體力學(xué)算法的開發(fā)，這是一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，目前還在開發(fā)中。

我們要模擬的是較大規(guī)模的流體，前面提到的多核胖節(jié)點(diǎn)集群和專用工作站集群主要用于Ansys集群。目前，Ansys軟件已經(jīng)成功用于模擬多物理場耦合分析。

分子動力學(xué)研究

分子動力學(xué)方法主要是依靠牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動，以在由分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本，從而計算體系的構(gòu)型積分，并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。我們的分子動力學(xué)程序以自主開發(fā)為主，并基于GPU。目前可以模擬的尺寸可達(dá)微米量級。

系統(tǒng)生物學(xué)

系統(tǒng)生物學(xué)主要是利用開源軟件來進(jìn)行序列比對，目前對大腸桿菌、擬南芥、裂殖酵母及芽殖酵母四種模式生物的蛋白質(zhì)組進(jìn)行了生物信息學(xué)分析。

（作者單位：1為中國科學(xué)院近代物理研究所；2為蘭州大學(xué)通訊學(xué)院）