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那些追“超算”的科学家

2016-08-29 09:30 作者:蒋芳 来源:半月谈网 编辑:常磊
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“全球大气非静力云分辨模拟”“高分辨率海浪数值模拟”和“钛合金微结构演化相场模拟”,近期,三项基于“神威?太湖之光”的应用入围超算领域世界顶级的“戈登贝尔奖”,打破了该奖项设立30年无一中国团队入围的局面。半月谈记者专访三个科研团队核心人物,重现他们追逐超算进行科研的真实经历和感受。

追别人:在技术“飞地”上举步维艰

20多年前,还在陕西省气象台工作的王兰宁第一次听说“超级计算机”。那时,资历尚浅的他无缘一见,不过却耳闻了不少关于超算的“传说”,如美国人把一台超算卖给我国,用不透明的玻璃包得严严实实,全国只有几位科学家能得见真容,而且是在美国人的监视下,一旦工作完成,必须马上离开。

“那个所谓的超算,如今看来充其量是一台高性能工作站,但对当时的我国来说,已是一座难以企及的高峰。”如今,王兰宁已经是北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院教授、“全球大气非静力云分辨模拟”团队成员之一。“受制于这块‘技术飞地’,我国很多科研项目根本无从开展。”

为了彻底拆掉“玻璃房子”,我国IT产业走上了一条艰苦的自主突围之路。上世纪90年代到本世纪初,我国逐步迈入独立设计和制造巨型机的国家之列,但仍因核心处理器等关键部件与技术的短板而受制于人。

“这直接导致我国虽是超算‘大买家’,却无法拥有匹配的‘议价权’。”2002年,王兰宁博士毕业就职于国家气候中心,在参与设备采购时对此有了切肤之痛。“国外一些公司不仅报价高,而且在售后方面处处设限,有些根本就是霸王条款。但没办法,没有超算,对数值天气预报业务来说最重要的时限要求就无法满足,对于大气运动精确的模拟研究也就无从开展。”

清华大学地球系统科学研究中心副教授黄小猛是“高分辨率海浪数值模拟”项目的成员之一。“80后”的他虽然没体会过处处受限,但也曾为技术落后而感慨。

2005年,在清华大学计算机系攻读博士期间,黄小猛听说系里耗费1500万元买了台“大机器”,每秒运算速度为10的12次方,便兴奋地跑去申请使用;“天河一号”研制成功时,他拿着美国地球系统公共模式,去“试跑”计算海洋模式,模式水平分辨率达到了约百公里;2012年、2013年,黄小猛带领清华团队连续拿下世界大学生超算竞赛总冠军和亚洲大学生超算竞赛冠军。

“清华大学靠出色的技术和调试水平拿下世界第一,但比赛所用的应用无一来自中国,等于说我们在别人的规则下取得了胜利。”黄小猛说,大家都意识到,我们只是参与者,始终不是规则的设计者和掌控者。

追机器:让科学再进一步

从曙光系列、天河系列到神威系列,国产超算一步步实现逆袭,也带领一批科学家的研究迈上了快速发展的轨道。

“有超算之前,由于计算能力的限制,数值预报模式的水平分辨率很粗,云分辨模式无法在大气模式当中得到应用。有了超算,就可以开展云分辨模拟。”王兰宁说,“日本的天气预报、灾害预报为什么很准,就因为他们的模式水平分辨率最高已经达到了870米,这是很高的水平。”

为了提高观测精度,王兰宁十几年来追逐着超算发展的脚步。2011年,他在位于天津的“天河一号”上实现了运行模式水平分辨率为300公里的全球气候模式的目标;随后,他又在济南的“神威?蓝光”上实现了模式水平分辨率为100公里的目标;今年,他在无锡“神威?太湖之光”上实现了模式水平分辨率为3公里的全球大气模式的试运行。

“坦率地说,最初的国产超算连普通的数值模拟任务都无法运行,系统的运行稳定程度令人头疼。即使是到了‘天河一号’‘天河二号’,速度已经达到了世界第一,但稳定性仍然堪忧,我们团队经常是不敢睡觉、轮流值班,就怕程序跑着跑着突然断掉,又得从头开始。”王兰宁说。

对此,黄小猛也有同感。虽然“神威?太湖之光”的稳定性、能耗比已经达到了国内最优,但对于科学研究所需要的精度、强度、存储能力来说仍然不足。

与王兰宁着眼于监测“每一朵云”、黄小猛盯着“每一朵浪花”相似,中科院网络中心的“钛合金微结构演化相场模拟”研究项目,最近几年的推进也得益于超算的发展。中科院超算中心研究人员周纯葆说,“铸剑”能否成功要看对温度、锻造力度、冷却等关键环节的掌控,古代凭感觉和经验,现在则凭借模拟技术。

“几乎每出来一台超算,我们都会想办法去申请使用,做模拟计算。从美国的泰坦,到我国的天河系列、‘神威?太湖之光’,材料科学实验模拟程度的不断提高,依赖于计算机发展速度的提升。”中科院超算中心研究员张鉴说,十年前,同样项目的模拟精度,我们与国外先进水平相差1000倍,如今则基本没有差距。

国家超级计算无锡中心副主任付昊桓认为,国产超算发展最重要的意义,就在于帮助国内科学家实现更精确的模拟。“同样的科学理念,你有更好的机器,研究就可能更进一步。”

追成果:终极目标是造福人类

王兰宁、黄小猛们如此执着地追逐超算,归根结底,是要解决人类面临的重要问题。

气象台的天气预报准确度一直在提升,这背后其实很大程度上是超算的功劳。当前,极端气象事件的影响日趋严重,超算将提供发生可能性低但破坏性大的气象事件预警,全面提高我国应对极端气候事件和自然灾害的减灾防灾能力。

运用超算模拟,更有可能让空气污染预报精确到每个小区。中科院深圳先进技术研究院正在国家超算无锡中心进行的一项课题,就是对深圳市污染物扩散的模拟,即根据目前污染物的情况,计算出未来一段时间的大气污染物浓度和分布,进行空气质量预报。从预报结果还可以计算出哪些污染源“贡献”最大,了解污染的来龙去脉,为污染防控提供决策指导。“现在已经可以实现倒推排查究竟是哪些排放点导致了某次大气污染,未来将能够实现每个小区、每个居民点空气质量的准确预报。”中科院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮说。

“人造小太阳”是当前能源界重点攻关的项目。国家超级计算无锡中心主任杨广文介绍,由中国科技大学与清华大学进行的托卡马克高能逃逸电子的动理学模拟,利用整机系统进行相空间大规模采样,获得了新的统计分布规律,实现了高能逃逸电子有效控制的模拟,可为未来大聚变装置“人造小太阳”的搭建提供有效支持。

记者采访了解到,“神威?太湖之光”系统正式运行一个多月来,国内外多个应用团队通过使用该系统获得了突破,目前已经取得了60多项应用成果,涉及天气气候、航空航天、海洋环境、生物医药、船舶工程、材料等19个应用领域。

“有效使用超算,可在更短时间内完成重大研究。追着超算跑的意义不仅仅是赢得竞争,更重要的是把机器用好,获得更多的科学发现,终极目标是造福人类。”王兰宁说。(半月谈记者 蒋芳)



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