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北京时间2017年11月17日凌晨,在美国丹佛举行的全球超级计算大会上,由清华大学地球系统科学系副教授付昊桓等共同领导的团队所完成的“非线性地震模擬”应用获得国际高性能计算应用领域最高奖“戈登·贝尔”奖,实现了我国高性能计算应用在此项大奖上的蝉联.
“戈登·贝尔”奖设立于1987年,是国际高性能计算应用领域的最高奖项,旨在鼓励将超级计算机的超强计算能力投入应用之中.过去30年中,美、日研究人员凭借运行在美国“泰坦”超级计算机、日本“京”超级计算机上的应用,都曾连续获得该奖项.2016年,基于“神威·太湖之光”的应用“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”折桂,实现了该奖创办30年以来我国零的突破.
设计实现了高可扩展性的非线性地震模拟工具
本次获奖的成果“非线性地震模拟”,设计实现了高可扩展性的非线性地震模拟工具,是超级计算机在地震灾害研究方面的一次成功应用.
即使是在科技高度发展的今天,预测地震仍然是世界性难题.地震等地质灾害对生命健康、经济、社会发展产生巨大的破坏,不断驱动科学家和工程师们去研究、模拟甚至预测地震.“非线性地震模拟”项目首次实现了对1976年唐山大地震的高分辨率精确模拟,使科学家可以更好地理解唐山大地震所造成的影响,并对未来地震预防预测等研究具有重要借鉴意义.
研究团队选取了唐山大地震震源附近达320公里×312公里×40公里的空间区域,以0.001秒为时间单位,精确模拟了该区域在地震发生后150秒内的地质变化,分辨率可达到8米,频率可达到18赫兹.分辨率越高、频率越高,对地震模拟刻画越精确,能模拟地震的震级越大,而频率越高,则对高频信息的刻画越准确.而在此之前,美国团队在“泰坦”超级计算机上运行的地震模拟,分辨率和频率只有20米、10赫兹.
预测地震的主要困难在于要同时对时间、空间和地震强度进行预测,而付昊桓团队将地震预测问题转化为地震模拟“亚”问题,对已知地点发生的地震进行时间、地震强度的模拟,针对余震预测、震级—频度关系、基于地震过程情景模拟的震害预测等进行了研究,难度大幅降低,对抗震防灾同样有重要意义.“尽管地震无法预测,但是基于这个模型,我们有望量化评估每个地点在发生地震时可能受到灾害有多大,对防灾减灾、城市规划设计有着重要意义.”付昊桓表示.
基于我国全自主研发的“神威·太湖之光”的超强计算能力
“非线性地震模拟”应用基于“神威·太湖之光”超级计算机的强大计算能力,由清华大学地球系统科学系、计算机系与山东大学、南方科技大学、中国科学技术大学、国家并行计算机工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心等单位共同完成.
位于江苏无锡滨湖区的“神威·太湖之光”是目前世界上最快的超级计算机,也是我国第一台全部采用国产处理器构建的超级计算机.其峰值运算性能达到每秒12.54亿亿次,持续性能为每秒9.3亿亿次,系统能效比高达每瓦特60.51亿次,标志着我国超级计算机不再单纯以速度胜出,而是在自主可控、峰值速度、持续性能、绿色指标等方面实现了全面突破,达到了新的高度.
在运算过程中,“神威·太湖之光”充分发挥了国产处理器在存储、计算资源等方面的优势,可以实现高达18.9PFlops（每秒一亿八千九百万亿次浮点运算）的“非线性地震模拟”,也是国际上首次实现如此大规模下的高分辨率、高频率的非线性可塑性地震模拟.
这样高效率的取得离不开研究团队的新算法.为了使超级计算机达到最好的效能,研究团队设计了精巧的算法,解决了超级计算机计算过程中普遍存在的“内存带宽受限”问题,扩展至全机超千万核取得超过15PFlops（每秒一亿五千万亿次浮点运算）的持续性能.这对超级计算机来说,可谓是如虎添翼.
本届“戈登·贝尔”奖最终入围的三个应用课题中,两个来自中国.除了“非线性地震模拟”,还有基于“神威·太湖之光”系统的另一项全机应用“全球气候模式的高性能模拟”.
超算应用已涉及航空航天、工业设计、生物医药等众多领域
“超级计算是基础工程,是一个国家科技实力的体现,在科学与工程领域应用最早、最广泛,应用效果最显著,已同理论研究和科学实验一起成为人类探索未知世界的三大科学手段,被称为支撑科学发现的第三个支柱.”付昊桓说.
超级计算机又被称为“国之重器”,是解决重大工程和科学难题时难以取代的工具,也是解决国家经济建设、社会发展、国防建设等领域重大挑战性问题的重要手段.“超级计算机的可持续发展,要与产业、学科发展相结合,需要各专业人才、交叉领域团队的共同努力.”国家超级计算无锡中心主任、清华大学计算机科学与技术系教授杨广文介绍,“应用上来了,才能真正发挥超算能力.”
目前,“神威·太湖之光”的应用涉及生物科技、航空航天、气象气候、材料科学、海洋环境、机器学习、电磁仿真、工业设计、金融计算、生物医药、环境工程、石油勘探等19个领域,支持国家重大科技应用、先进制造等领域解算任务几百项,一年来共计完成200多万项作业任务,平均每天完成近7000项作业任务.这些应用中,既有代表未来“黑科技”发展方向的研究领域,比如“人造小太阳”,也就是核聚变发电的相关理论与实验方面的模拟；也有重大工程领域的项目,比如C919大飞机多种飞行状态的模拟、天宫系列航天飞行器的飞行状态模拟；还有与老百姓生活相关的动画制作,山东一家公司利用超算的超强能力进行动漫制作,不仅动漫渲染效果更逼真,还能大幅缩短制作周期.“未来很有可能看到依托‘神威·太湖之光’运算能力制作的国产动画大片.”杨广文说.
国家超算无锡中心还在考虑如何服务地方经济.“江苏是制造业大省,如何帮助制造业实现创新,是我们考虑的重要应用方向.”杨广文说,他们或将建成一个产业科技创新中心.目前,中国制造业大部分应用软件都是国外商用软件,这方面无锡中心也在布局,例如与远景能源展开格林威治智慧风场平台建设,同时在汽车制造业、船舶制造、新药研发等方面开展研究.
杨广文说,未来,“神威·太湖之光”将围绕世界重大科技需求,持续不断地开展高性能计算应用服务,为世界科技创新做贡献,支持国家高性能计算发展战略及创新型国家建设,将在能源环境、先进制造等领域发挥重要作用.
（本文转自《人民日报》）
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参考文献：
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