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超級計算與物理學(xué)
超級計算與物理學(xué)
【摘 要】 當(dāng)前，超級計算已成為繼理論和實(shí)驗(yàn)之后科學(xué)研究的第三大研究方法，已經(jīng)滲透到科學(xué)研究與工程設(shè)計的各個層面，成為促進(jìn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技進(jìn)步的重要手段。
超級計算的核心是超級計算機(jī)，從1976年世界上首臺商用巨型機(jī)Cray-1問世，超級計算機(jī)發(fā)展迅速，截止2013年底，性能提升超過100，000，000倍。
其中，物理學(xué)研究成為超級計算發(fā)展的重要驅(qū)動力，在高能物理與核物理、天體物理、大氣物理、流體力學(xué)、地球物理、材料物理等領(lǐng)域諸多前沿技術(shù)研究都需要超級計算的支撐，而同時由于這些需求的快速增長也對超級計算機(jī)計算性能、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)訪存(I/O)和海量存儲等能力提出了挑戰(zhàn)。
“天河一號”等異構(gòu)體系架構(gòu)超級計算機(jī)的研制成功，拓展了超級計算機(jī)發(fā)展的空間，也為物理學(xué)開展更大規(guī)模、更精確研究提供了更強(qiáng)有力的平臺。
【關(guān)鍵詞】 超級計算 物理學(xué) 研究
1 計算科學(xué)的重要性日益凸顯
當(dāng)前，超級計算已成為繼理論和實(shí)驗(yàn)之后科學(xué)研究的第三大研究方法，已經(jīng)滲透到科學(xué)研究與工程設(shè)計的各個層面，成為促進(jìn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技進(jìn)步的重要手段。
在一些新興的學(xué)科，如新材料新能源技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域，超級計算機(jī)已成為科學(xué)研究的必備工具。
同時，超級計算也越來越多地滲透到能源開發(fā)、高端裝備制造等一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
金融、政府信息化、企業(yè)等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Τ売嬎愕男枨笠惭该驮鲩L。
現(xiàn)今超級計算是國家科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵要素，是體現(xiàn)國家科學(xué)技術(shù)核心競爭力的重要標(biāo)志，是支撐國家綜合國力持續(xù)提升的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。
同時，應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展，也對超級計算發(fā)展提出了更大需求和更高要求。
尤其當(dāng)代科技對計算的要求越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域要達(dá)到全物理、全系統(tǒng)、三維、高分辨、高逼真的建模能力，這一要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的計算能力。
這是一個巨大的挑戰(zhàn)，帶來了一系列世界性難題，形成了當(dāng)代科學(xué)計算的學(xué)科前沿。
正是由于需求的牽引和計算科學(xué)自身發(fā)展的推動，各發(fā)達(dá)國家都大力發(fā)展超級計算。
我國也在《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》、《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》等關(guān)系國家戰(zhàn)略發(fā)展方向的重要文件都指出，要大力發(fā)展新一代信息技術(shù)，突破制約高端信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，掌握超級計算、云計算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，重視和加強(qiáng)創(chuàng)新，開發(fā)支撐和帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)改造和技術(shù)升級。
2 超級計算發(fā)展迅速及各國發(fā)展戰(zhàn)略
超級計算的核心是超級計算機(jī)，超級計算機(jī)并沒有明確定義，通常指能夠執(zhí)行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦，具有很強(qiáng)的計算和處理數(shù)據(jù)的能力，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富的、高功能的軟件系統(tǒng)。
1976年世界上首臺商用巨型機(jī)Cray-1問世，成為超級計算機(jī)發(fā)展起步的標(biāo)志。
超級計算機(jī)發(fā)展迅速，截止2013年底，短短37年的時間，性能提升超過100，000，000倍，Cray-1浮點(diǎn)計算性能只有160Mflops(現(xiàn)在普通電腦的性能已達(dá)到1，000Mflops量級)，而2013年排名世界第一的“天河二號”超級計算機(jī)峰值計算速度每秒達(dá)5.49億億次(54，900，000，000，000Mflops)、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次[1]。
從技術(shù)發(fā)展角度來說，單個CPU性能提升基本滿足“摩爾定律”，也就是每18個月左右CPU性能提升1倍，但是超級計算機(jī)性能的提升遠(yuǎn)高于高CPU性能提升的速度，基本按指數(shù)方式在提升(參看圖1)。
超級計算機(jī)之所以能獲得如此卓越性能和發(fā)展速度，主要得益于并行技術(shù)的支撐[2]。
世界上許多國家對計算能力的建設(shè)和計算科學(xué)的發(fā)展都給予了高度重視，不少國家都制定了國家層面的計劃[3，4，5]。
(1)美國：從1970年代起就實(shí)施了一系列推動計算科學(xué)發(fā)展的國家計劃，包括“戰(zhàn)略計算機(jī)計劃”(SCP)、“高性能計算和通訊計劃”(HPCC)、“加速戰(zhàn)略計算計劃”(ASCI)、“先進(jìn)計算設(shè)施伙伴計劃”(PACI)等。
2005年，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(PITAC)的報告《計算科學(xué)：確保美國的競爭力》中指出，“二十一世紀(jì)最偉大的科學(xué)突破將是計算科學(xué)所獲得的成就”，建議“聯(lián)邦政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界必須共同制定一個數(shù)十年的發(fā)展藍(lán)圖，在科學(xué)和工程學(xué)科方面推動計算科學(xué)的發(fā)展。”
并且警告說：“美國現(xiàn)正處在關(guān)鍵時刻，如果我們還不高瞻遠(yuǎn)矚和承擔(dān)自己的義務(wù)，長此以往，國家的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競爭力和國家安全后果不堪設(shè)想。”2006年，NSF提出了到2010年建設(shè)千萬億次計算規(guī)模的國家超級計算環(huán)境[6]。
(2)歐盟：歐盟“歐洲高性能計算任務(wù)組(HET―High Performance Computing in Europe Taskforce)”在2007年1月發(fā)布了歐洲在高性能計算領(lǐng)域的政策框架建議[7]，提出在歐洲建立一個可持續(xù)的科學(xué)研究超級計算基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括一個位于“高性能計算生態(tài)系統(tǒng)(HPC Ecosystem)”金字塔頂端的千萬億次超級計算機(jī)。
2010年6月，歐盟在西班牙巴塞羅那宣布啟動一項投入經(jīng)費(fèi)5億歐元的計劃，該計劃被命名為歐洲先進(jìn)計算伙伴關(guān)系(PRACE)，將聯(lián)合歐委會與20個歐洲國家的力量，使歐洲科學(xué)家能夠共享其它國家的超級計算機(jī)，運(yùn)算速度將達(dá)到每秒1千兆次。
通過PRACE計劃，德國的目前歐洲最快運(yùn)算速度的Jugene將成為第一個為歐洲科學(xué)家提供服務(wù)的超級計算機(jī)。
到2015年，位于德國、法國、意大利和西班牙的更多超級計算機(jī)將陸續(xù)提供類似服務(wù)。
該計劃將對具有提供超級計算機(jī)落戶條件的國家開放[8]。
(3)日本、澳大利亞、韓國等國家都對超級計算能力建設(shè)和應(yīng)用高度重視，提出了國家級計劃。
日本在2002年依靠“地球模擬器”、2011年“京”兩次獲得世界排名第一，更是與2013年啟動了“E”超級計算機(jī)的研制計劃。
(4)中國：我國科技部的國家863計劃于2006年啟動了“高效能計算機(jī)及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大專項，已連續(xù)“十五”、“十一五”、“十二五”三個五年計劃支持我國超級計算發(fā)展，先后支持自主百億次、千萬億次、十億億次超級計算機(jī)系統(tǒng)研制和應(yīng)用。
同時，我國也于近期啟動了“E”級超級計算機(jī)研制計劃。
3 物理研究中重大挑戰(zhàn)性問題需要超級計算來解決
物理學(xué)研究是科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)，經(jīng)過從近代物理到現(xiàn)代物理數(shù)百年的發(fā)展，物理學(xué)從理論到應(yīng)用已經(jīng)形成的比較完善的體系，但是在物理學(xué)研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)性問題絲毫沒有減少，而且越來越多的問題已經(jīng)無法用單純的理論或?qū)嶒?yàn)的方法進(jìn)行解決，超級計算的發(fā)展使得計算在這些重大挑戰(zhàn)性問題的研究中發(fā)揮越來越重要的作用。
3.1 高能物理與核物理
在該領(lǐng)域?qū)Τ売嬎愕男枨髞碓从趦蓚�方面。
(1)海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理：以歐洲核子研究組織CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC為例，加速器每秒鐘在檢測器中心產(chǎn)生4000萬次粒子碰撞事件。
計算機(jī)實(shí)時地從這4000萬事件中挑選出100個“好”事件，也就是符合物理學(xué)家要求的事件，并以每秒100-1000MB的速度記錄在光盤或磁帶上。
加速器將產(chǎn)生空前的數(shù)據(jù)：每秒產(chǎn)生100MB原始數(shù)據(jù)，每年將產(chǎn)生需記錄的事件約為1億個，每年的數(shù)據(jù)量就達(dá)到15PB(1015Byte)。
存儲這15PB數(shù)據(jù)量每年需要使用兩千萬張CD，分析則需要使用100萬臺當(dāng)今最快的計算機(jī)處理器。
因此，在未來的二十年中，主要的高能物理實(shí)驗(yàn)，特別是大型強(qiáng)子對撞機(jī)，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)會使高能物理以及計算科學(xué)研究面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
(2)物質(zhì)起源、物質(zhì)相互作用的大規(guī)模模擬：在高能物理與核物理層面開展物質(zhì)起源、物質(zhì)相互作用研究，需要基于量子色動力學(xué)、相對論、量子場論等復(fù)雜理論，構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型對夸克、膠子、質(zhì)子、中子等粒子進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬，從而得到有價值的模擬結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)或理論研究，但這些大規(guī)模計算工作，必須要依賴超級計算的支撐。
3.2 材料物理
材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能是材料研究的四大要素，傳統(tǒng)的材料研究以實(shí)驗(yàn)室研究為主。
但是，隨著對材料性能的要求不斷的提高，材料學(xué)研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究不能揭示材料性能的本質(zhì)，納米結(jié)構(gòu)、原子像已成為材料研究的內(nèi)容，對功能材料甚至要研究到電子層次。
因此，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行材料研究已難以滿足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求。
然而計算機(jī)模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計算機(jī)虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材料進(jìn)行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環(huán)境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規(guī)律、失效機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計。
因此，在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域中，隨著計算材料學(xué)的不斷發(fā)展，“計算實(shí)驗(yàn)”作用會越來越大，已成為與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)具有同樣重要地位的研究手段。
3.3 流體力學(xué)
計算流體力學(xué)從20世紀(jì)中葉快速發(fā)展起來，目前已成為國際上一個強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計等諸多工程領(lǐng)域。
計算流體力學(xué)領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的問題是湍流的直接模擬，其一直受到計算機(jī)速度與容量的限制。
主要困難在于湍流脈動運(yùn)動中包含著大大小小不同尺度的渦運(yùn)動，其最大尺度L可與平均運(yùn)動的特征長度相比，而最小尺度則取決于粘性耗散尺度，即為Kolmogorov定義的內(nèi)尺度，其尺度的比例隨著雷諾數(shù)的升高而迅速增大。
目前已經(jīng)證明，直接數(shù)值模擬的計算量與雷諾數(shù)的三次方成正比。
鑒于這些原因，目前直接數(shù)值模擬的雷諾數(shù)與實(shí)際的復(fù)雜流動還差好幾個量級。
即使目前最快的超級計算機(jī)也只能開展有限條件下的湍流直接模擬。
3.4 大氣物理
大氣物理是研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演變規(guī)律的學(xué)科，重點(diǎn)應(yīng)用在數(shù)值氣象預(yù)報和氣候變化研究領(lǐng)域。
氣象預(yù)報基于大氣物理等研究成果，形成可進(jìn)行氣象預(yù)報的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，基于超級計算系統(tǒng)進(jìn)行短期內(nèi)時效性數(shù)值預(yù)報，因此為了保證給出更長時間的可靠預(yù)報，并保障預(yù)報結(jié)果及時，要求超級計算平臺提供高性能、穩(wěn)定的計算資源。
氣候變化基于大氣物理開發(fā)的模式，依托超級計算系統(tǒng)進(jìn)行長期的氣候變化預(yù)測研究，由于氣候變化研究成效越來越依賴于模擬覆蓋區(qū)域范圍及網(wǎng)格精度，而且模擬時限要達(dá)到數(shù)百年甚至上千年，因此它對超級計算平臺的計算性能、數(shù)據(jù)訪存性能、任務(wù)可擴(kuò)展性都提出了挑戰(zhàn)。
氣候氣象領(lǐng)域是超級計算應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，也是促進(jìn)超級計算發(fā)展的重要動力。
3.5 地球物理
地球物理學(xué)是地球科學(xué)的主要學(xué)科，用物理學(xué)的方法和原理研究地球的形成和動力，研究廣泛系列的地質(zhì)現(xiàn)象。
地球物理傳統(tǒng)上又分為小地球物理和大地球物理，小地球物理主要是指油氣等能源勘探過程中的地球物理研究，大地球物理主要是指側(cè)重地質(zhì)構(gòu)造、地震及涉及水圈和大氣層的系統(tǒng)性、大尺度研究。
油氣能源勘探中的地震法勘探數(shù)據(jù)的三維成像處理具有計算密集、訪存密集、處理數(shù)據(jù)規(guī)模大等特點(diǎn)，需要大規(guī)模超級計算平臺為支撐，特別是逆時偏移處理RTM、全波形反演FWI等新興技術(shù)的發(fā)展，更是為超級計算發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。
大地球物理研究領(lǐng)域的計算處理，雖然精度要求沒有小地球物理高，但是由于系統(tǒng)尺度更大、系統(tǒng)更復(fù)雜，計算能力需求甚至更大。
3.6 天體物理與天文學(xué)
在天文學(xué)研究領(lǐng)域，不論是大規(guī)模天文觀測數(shù)據(jù)處理，還是天文數(shù)值模擬領(lǐng)域都產(chǎn)生了大規(guī)模計算需求。
現(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入精確天文學(xué)研究時代，數(shù)值模擬正扮演越來越重要的角色，為了開展宇宙演化模擬，美國、歐洲等開展的并行模擬規(guī)模達(dá)到了上萬處理核心，產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)超過100TB量級，其自身模擬計算和后續(xù)數(shù)據(jù)處理都需要超級計算平臺完成。
而在天文觀測領(lǐng)域，現(xiàn)在大的天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)每天采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過TB量級，而未來的SKA等系統(tǒng)每天觀測數(shù)據(jù)會達(dá)到PB(1PB=1，000TB=1，000，000GB)級，必須用超強(qiáng)性能的超級計算系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)處理。
歸結(jié)起來，物理學(xué)研究對超級計算帶來的需求和挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在四個方面：超強(qiáng)的計算性能，高速的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，良好的數(shù)據(jù)訪存(I/O)，海量存儲能力。
新興的超級計算技術(shù)正在努力從不同方面解決上面所面臨的重大挑戰(zhàn)。
4 新興超級計算技術(shù)將為物理學(xué)研究帶來新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
隨著以“天河一號”、“星云”等為代表的國產(chǎn)千萬億次異構(gòu)超級計算機(jī)的研制成功，中國也成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機(jī)的國家。
“天河一號”率先采用CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)，成為世界上首臺異構(gòu)架構(gòu)的千萬億次超級計算機(jī)。
新型的異構(gòu)體系架構(gòu)使超級計算機(jī)在性能、體積和功耗等方面取得的巨大進(jìn)步，使中國成為全球當(dāng)代異構(gòu)融合超級計算機(jī)技術(shù)的典型代表。
由于傳統(tǒng)CPU受制作工藝和功耗限制，芯片單位面積內(nèi)集成的晶體管已接近上限，在計算性能和功耗等方面有更有優(yōu)勢的GPU、MIC等加速芯片越來越多地應(yīng)用于高性能計算，2013年世界排名前十中，已有近一半采用異構(gòu)架構(gòu)，因此異構(gòu)架構(gòu)成為超級計算機(jī)發(fā)展的主流趨勢。
我國超級計算機(jī)的計算能力取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，旺盛的計算需求和日益成熟的高性能計算機(jī)技術(shù)極大地促進(jìn)了高性能計算在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。
然而我國超級計算機(jī)實(shí)際可有效利用的處理器核數(shù)相對較少，高性能計算應(yīng)用軟件的研發(fā)水平和性能水平與硬件相比相對滯后，如何高效利用以“天河一號”、“天河二號”為代表的超級計算機(jī)，成為物理學(xué)研究等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。
因?yàn)椋滦腕w系架構(gòu)的高性能計算實(shí)現(xiàn)，需要適應(yīng)其體系架構(gòu)的高性能軟件的支持，在物理學(xué)研究領(lǐng)域，大量軟件是歷史積累軟件，這就需要在新型編程框架、功能完善的開發(fā)及支持環(huán)境方面不斷完善。
同時，異構(gòu)體系架構(gòu)超級計算機(jī)的發(fā)展，也給物理學(xué)研究帶來了新的機(jī)遇。
計算物理學(xué)研究領(lǐng)域，受超級計算能力制約，大量問題被簡化、被分割，無法系統(tǒng)、全面的研究，新型體系機(jī)構(gòu)的超級計算機(jī)實(shí)現(xiàn)了整體性能的大幅提升、功耗降低、穩(wěn)定性增強(qiáng)等優(yōu)勢，為物理學(xué)研究帶來了更強(qiáng)大的工具。
隨著超級計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，與計算在物理學(xué)研究中作用的不斷增強(qiáng)，超級計算與物理學(xué)研究的結(jié)合，必將產(chǎn)生更多影響人類社會發(fā)展的重大成果。
參考文獻(xiàn)：
[1]http：//www.top500.org/
[2]Parallel Supercomputing： Past， Present and Future， The Wall Street Journal， Irving Wladawsky-Berger， August 2，2013.
[3]http：//www.ccw.com.cn/server/jssc/htm2007/20070516_259532.shtml.
[4]http：//www.enet.com.cn/article/2007/0517/A20070517592681.shtml.
[5]我院超級計算需求及布局研究，中國科學(xué)院超級計算專家委員會，2007年7月20日.
[6]Leadership-Class System Acquisition - Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering(美國科學(xué)基金會建造千萬億次計算環(huán)境計劃)，2007年3月.
[7]Towards a Sustainable High-Performance Computing Ecosystem through Enabling Petaflop Computing in Europe，(歐洲在高性能計算領(lǐng)域的政策框架建議)，2007年6月.
[8]PRACE Research Infrastructure，www.prace-ri.eu/.
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