趙婀娜+王偉健+侯文曉

北京時(shí)間2017年11月17日凌晨，在美國(guó)丹佛舉行的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授付昊桓等共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)所完成的“非線性地震模擬”應(yīng)用獲得國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)“戈登·貝爾”獎(jiǎng)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高性能計(jì)算應(yīng)用在此項(xiàng)大獎(jiǎng)上的蟬聯(lián)。

“戈登·貝爾”獎(jiǎng)設(shè)立于1987年，是國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，旨在鼓勵(lì)將超級(jí)計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力投入應(yīng)用之中。過(guò)去30年中，美、日研究人員憑借運(yùn)行在美國(guó)“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)、日本“京”超級(jí)計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用，都曾連續(xù)獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。2016年，基于“神威·太湖之光”的應(yīng)用“千萬(wàn)核可擴(kuò)展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”折桂，實(shí)現(xiàn)了該獎(jiǎng)創(chuàng)辦30年以來(lái)我國(guó)零的突破。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具

本次獲獎(jiǎng)的成果“非線性地震模擬”，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具，是超級(jí)計(jì)算機(jī)在地震災(zāi)害研究方面的一次成功應(yīng)用。

即使是在科技高度發(fā)展的今天，預(yù)測(cè)地震仍然是世界性難題。地震等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)生命健康、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大的破壞，不斷驅(qū)動(dòng)科學(xué)家和工程師們?nèi)パ芯?、模擬甚至預(yù)測(cè)地震?！胺蔷€性地震模擬”項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)未來(lái)地震預(yù)防預(yù)測(cè)等研究具有重要借鑒意義。

研究團(tuán)隊(duì)選取了唐山大地震震源附近達(dá)320公里×312公里×40公里的空間區(qū)域，以0.001秒為時(shí)間單位，精確模擬了該區(qū)域在地震發(fā)生后150秒內(nèi)的地質(zhì)變化，分辨率可達(dá)到8米，頻率可達(dá)到18赫茲。分辨率越高、頻率越高，對(duì)地震模擬刻畫越精確，能模擬地震的震級(jí)越大，而頻率越高，則對(duì)高頻信息的刻畫越準(zhǔn)確。而在此之前，美國(guó)團(tuán)隊(duì)在“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的地震模擬，分辨率和頻率只有20米、10赫茲。

預(yù)測(cè)地震的主要困難在于要同時(shí)對(duì)時(shí)間、空間和地震強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，而付昊桓團(tuán)隊(duì)將地震預(yù)測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為地震模擬“亞”問(wèn)題，對(duì)已知地點(diǎn)發(fā)生的地震進(jìn)行時(shí)間、地震強(qiáng)度的模擬，針對(duì)余震預(yù)測(cè)、震級(jí)—頻度關(guān)系、基于地震過(guò)程情景模擬的震害預(yù)測(cè)等進(jìn)行了研究，難度大幅降低，對(duì)抗震防災(zāi)同樣有重要意義?！氨M管地震無(wú)法預(yù)測(cè)，但是基于這個(gè)模型，我們有望量化評(píng)估每個(gè)地點(diǎn)在發(fā)生地震時(shí)可能受到災(zāi)害有多大，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)有著重要意義?！备蛾换副硎?。

基于我國(guó)全自主研發(fā)的“神威·太湖之光”的超強(qiáng)計(jì)算能力

“非線性地震模擬”應(yīng)用基于“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系、計(jì)算機(jī)系與山東大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心和國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心等單位共同完成。

位于江蘇無(wú)錫濱湖區(qū)的“神威·太湖之光”是目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也是我國(guó)第一臺(tái)全部采用國(guó)產(chǎn)處理器構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)。其峰值運(yùn)算性能達(dá)到每秒12.54億億次，持續(xù)性能為每秒9.3億億次，系統(tǒng)能效比高達(dá)每瓦特60.51億次，標(biāo)志著我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)不再單純以速度勝出，而是在自主可控、峰值速度、持續(xù)性能、綠色指標(biāo)等方面實(shí)現(xiàn)了全面突破，達(dá)到了新的高度。

在運(yùn)算過(guò)程中，“神威·太湖之光”充分發(fā)揮了國(guó)產(chǎn)處理器在存儲(chǔ)、計(jì)算資源等方面的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)18.9PFlops（每秒一億八千九百萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的“非線性地震模擬”，也是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)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(tuán)隊(duì)的新算法。為了使超級(jí)計(jì)算機(jī)達(dá)到最好的效能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了精巧的算法，解決了超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算過(guò)程中普遍存在的“內(nèi)存帶寬受限”問(wèn)題，擴(kuò)展至全機(jī)超千萬(wàn)核取得超過(guò)15PFlops（每秒一億五千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的持續(xù)性能。這對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，可謂是如虎添翼。

本屆“戈登·貝爾”獎(jiǎng)最終入圍的三個(gè)應(yīng)用課題中，兩個(gè)來(lái)自中國(guó)。除了“非線性地震模擬”，還有基于“神威·太湖之光”系統(tǒng)的另一項(xiàng)全機(jī)應(yīng)用“全球氣候模式的高性能模擬”。

超算應(yīng)用已涉及航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域

“超級(jí)計(jì)算是基礎(chǔ)工程，是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的體現(xiàn)，在科學(xué)與工程領(lǐng)域應(yīng)用最早、最廣泛，應(yīng)用效果最顯著，已同理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起成為人類探索未知世界的三大科學(xué)手段，被稱為支撐科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)支柱?！备蛾换刚f(shuō)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)又被稱為“國(guó)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(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題的重要手段?！俺?jí)計(jì)算機(jī)的可持續(xù)發(fā)展，要與產(chǎn)業(yè)、學(xué)科發(fā)展相結(jié)合，需要各專業(yè)人才、交叉領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)的共同努力?！眹?guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心主任、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授楊廣文介紹，“應(yīng)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(yīng)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(jī)器學(xué)習(xí)、電磁仿真、工業(yè)設(shè)計(jì)、金融計(jì)算、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程、石油勘探等19個(gè)領(lǐng)域，支持國(guó)家重大科技應(yīng)用、先進(jìn)制造等領(lǐng)域解算任務(wù)幾百項(xiàng)，一年來(lái)共計(jì)完成200多萬(wàn)項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，平均每天完成近7000項(xiàng)作業(yè)任務(wù)。這些應(yīng)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(yàn)方面的模擬；也有重大工程領(lǐng)域的項(xiàng)目，比如C919大飛機(jī)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)畫制作，山東一家公司利用超算的超強(qiáng)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。“未來(lái)很有可能看到依托‘神威·太湖之光運(yùn)算能力制作的國(guó)產(chǎn)動(dòng)畫大片。”楊廣文說(shuō)。

國(guó)家超算無(wú)錫中心還在考慮如何服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)?！敖K是制造業(yè)大省，如何幫助制造業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，是我們考慮的重要應(yīng)用方向。”楊廣文說(shuō)，他們或?qū)⒔ǔ梢粋€(gè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心。目前，中國(guó)制造業(yè)大部分應(yīng)用軟件都是國(guó)外商用軟件，這方面無(wú)錫中心也在布局，例如與遠(yuǎn)景能源展開格林威治智慧風(fēng)場(chǎng)平臺(tái)建設(shè)，同時(shí)在汽車制造業(yè)、船舶制造、新藥研發(fā)等方面開展研究。

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(xù)不斷地開展高性能計(jì)算應(yīng)用服務(wù)，為世界科技創(chuàng)新做貢獻(xiàn)，支持國(guó)家高性能計(jì)算發(fā)展戰(zhàn)略及創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)，將在能源環(huán)境、先進(jìn)制造等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

（本文轉(zhuǎn)自《人民日?qǐng)?bào)》）endprint