超級計算與物理學
超級計算與物理學
【摘 要】 當前，超級計算已成為繼理論和實驗之后科學研究的第三大研究方法，已經滲透到科學研究與工程設計的各個層面，成為促進重大科學發現和科技進步的重要手段。
超級計算的核心是超級計算機，從1976年世界上首臺商用巨型機Cray-1問世，超級計算機發展迅速，截止2013年底，性能提升超過100，000，000倍。
其中，物理學研究成為超級計算發展的重要驅動力，在高能物理與核物理、天體物理、大氣物理、流體力學、地球物理、材料物理等領域諸多前沿技術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計算性能、互聯網絡帶寬、數據訪存(I/O)和海量存儲等能力提出了挑戰。
“天河一號”等異構體系架構超級計算機的研制成功，拓展了超級計算機發展的空間，也為物理學開展更大規模、更精確研究提供了更強有力的平臺。
【關鍵詞】 超級計算 物理學 研究
1 計算科學的重要性日益凸顯
當前，超級計算已成為繼理論和實驗之后科學研究的第三大研究方法，已經滲透到科學研究與工程設計的各個層面，成為促進重大科學發現和科技進步的重要手段。
在一些新興的學科，如新材料新能源技術和生物技術領域，超級計算機已成為科學研究的必備工具。
同時，超級計算也越來越多地滲透到能源開發、高端裝備制造等一些傳統產業，以提高生產效率、降低生產成本。
金融、政府信息化、企業等更廣泛的領域對超級計算的需求也迅猛增長。
現今超級計算是國家科學技術創新發展的關鍵要素，是體現國家科學技術核心競爭力的重要標志，是支撐國家綜合國力持續提升的關鍵領域之一。
同時，應用領域的快速擴展，也對超級計算發展提出了更大需求和更高要求。
尤其當代科技對計算的要求越來越高，應用領域要達到全物理、全系統、三維、高分辨、高逼真的建模能力，這一要求已遠遠超過目前的計算能力。
這是一個巨大的挑戰，帶來了一系列世界性難題，形成了當代科學計算的學科前沿。
正是由于需求的牽引和計算科學自身發展的推動，各發達國家都大力發展超級計算。
我國也在《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》、《國家中長期科技發展規劃綱要(2006-2020)》等關系國家戰略發展方向的重要文件都指出，要大力發展新一代信息技術，突破制約高端信息技術產業發展的瓶頸，掌握超級計算、云計算、大數據等核心技術，以應用需求為導向，重視和加強創新，開發支撐和帶動產業發展的技術和關鍵產品，促進產業改造和技術升級。
2 超級計算發展迅速及各國發展戰略
超級計算的核心是超級計算機，超級計算機并沒有明確定義，通常指能夠執行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦，具有很強的計算和處理數據的能力，配有多種外部和外圍設備及豐富的、高功能的軟件系統。
1976年世界上首臺商用巨型機Cray-1問世，成為超級計算機發展起步的標志。
超級計算機發展迅速，截止2013年底，短短37年的時間，性能提升超過100，000，000倍，Cray-1浮點計算性能只有160Mflops(現在普通電腦的性能已達到1，000Mflops量級)，而2013年排名世界第一的“天河二號”超級計算機峰值計算速度每秒達5.49億億次(54，900，000，000，000Mflops)、持續計算速度每秒3.39億億次[1]。
從技術發展角度來說，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，但是超級計算機性能的提升遠高于高CPU性能提升的速度，基本按指數方式在提升(參看圖1)。
超級計算機之所以能獲得如此卓越性能和發展速度，主要得益于并行技術的支撐[2]。
世界上許多國家對計算能力的建設和計算科學的發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年代起就實施了一系列推動計算科學發展的國家計劃，包括“戰略計算機計劃”(SCP)、“高性能計算和通訊計劃”(HPCC)、“加速戰略計算計劃”(ASCI)、“先進計算設施伙伴計劃”(PACI)等。
2005年，美國總統信息技術咨詢委員會(PITAC)的報告《計算科學：確保美國的競爭力》中指出，“二十一世紀最偉大的科學突破將是計算科學所獲得的成就”，建議“聯邦政府、學術界和工業界必須共同制定一個數十年的發展藍圖，在科學和工程學科方面推動計算科學的發展。”
并且警告說：“美國現正處在關鍵時刻，如果我們還不高瞻遠矚和承擔自己的義務，長此以往，國家的科學領導地位、經濟競爭力和國家安全后果不堪設想。”2006年，NSF提出了到2010年建設千萬億次計算規模的國家超級計算環境[6]。
(2)歐盟：歐盟“歐洲高性能計算任務組(HET―High Performance Computing in Europe Taskforce)”在2007年1月發布了歐洲在高性能計算領域的政策框架建議[7]，提出在歐洲建立一個可持續的科學研究超級計算基礎設施，其中包括一個位于“高性能計算生態系統(HPC Ecosystem)”金字塔頂端的千萬億次超級計算機。
2010年6月，歐盟在西班牙巴塞羅那宣布啟動一項投入經費5億歐元的計劃，該計劃被命名為歐洲先進計算伙伴關系(PRACE)，將聯合歐委會與20個歐洲國家的力量，使歐洲科學家能夠共享其它國家的超級計算機，運算速度將達到每秒1千兆次。
通過PRACE計劃，德國的目前歐洲最快運算速度的Jugene將成為第一個為歐洲科學家提供服務的超級計算機。
到2015年，位于德國、法國、意大利和西班牙的更多超級計算機將陸續提供類似服務。
該計劃將對具有提供超級計算機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和應用高度重視，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“高效能計算機及網格服務環境”重大專項，已連續“十五”、“十一五”、“十二五”三個五年計劃支持我國超級計算發展，先后支持自主百億次、千萬億次、十億億次超級計算機系統研制和應用。
同時，我國也于近期啟動了“E”級超級計算機研制計劃。
3 物理研究中重大挑戰性問題需要超級計算來解決
物理學研究是科技發展的重要基礎，經過從近代物理到現代物理數百年的發展，物理學從理論到應用已經形成的比較完善的體系，但是在物理學研究領域面臨的挑戰性問題絲毫沒有減少，而且越來越多的問題已經無法用單純的理論或實驗的方法進行解決，超級計算的發展使得計算在這些重大挑戰性問題的研究中發揮越來越重要的作用。
3.1 高能物理與核物理
在該領域對超級計算的需求來源于兩個方面。
(1)海量實驗數據的分析和處理：以歐洲核子研究組織CERN的大型強子對撞機LHC為例，加速器每秒鐘在檢測器中心產生4000萬次粒子碰撞事件。
計算機實時地從這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。
加速器將產生空前的數據：每秒產生100MB原始數據，每年將產生需記錄的事件約為1億個，每年的數據量就達到15PB(1015Byte)。
存儲這15PB數據量每年需要使用兩千萬張CD，分析則需要使用100萬臺當今最快的計算機處理器。
因此，在未來的二十年中，主要的高能物理實驗，特別是大型強子對撞機，產生的海量數據會使高能物理以及計算科學研究面臨前所未有的挑戰。
(2)物質起源、物質相互作用的大規模模擬：在高能物理與核物理層面開展物質起源、物質相互作用研究，需要基于量子色動力學、相對論、量子場論等復雜理論，構建復雜數學模型對夸克、膠子、質子、中子等粒子進行大規模數值模擬，從而得到有價值的模擬結果來指導實現或理論研究，但這些大規模計算工作，必須要依賴超級計算的支撐。
3.2 材料物理
材料的組成、結構、性能、服役性能是材料研究的四大要素，傳統的材料研究以實驗室研究為主。
但是，隨著對材料性能的要求不斷的提高，材料學研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結構進行研究不能揭示材料性能的本質，納米結構、原子像已成為材料研究的內容，對功能材料甚至要研究到電子層次。
因此，僅僅依靠實驗室的實驗來進行材料研究已難以滿足現代新材料研究和發展的要求。
然而計算機模擬技術可以根據有關的基本理論，在計算機虛擬環境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材料進行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環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律、失效機理，進而實現材料服役性能的改善和材料設計。
因此，在現代材料學領域中，隨著計算材料學的不斷發展，“計算實驗”作用會越來越大，已成為與實驗室的實驗具有同樣重要地位的研究手段。
3.3 流體力學
計算流體力學從20世紀中葉快速發展起來，目前已成為國際上一個強有力的研究領域，是進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術，廣泛應用于航天設計、汽車設計、生物醫學工業、化工處理工業、渦輪機設計等諸多工程領域。
計算流體力學領域最復雜、最具挑戰性的問題是湍流的直接模擬，其一直受到計算機速度與容量的限制。
主要困難在于湍流脈動運動中包含著大大小小不同尺度的渦運動，其最大尺度L可與平均運動的特征長度相比，而最小尺度則取決于粘性耗散尺度，即為Kolmogorov定義的內尺度，其尺度的比例隨著雷諾數的升高而迅速增大。
目前已經證明，直接數值模擬的計算量與雷諾數的三次方成正比。
鑒于這些原因，目前直接數值模擬的雷諾數與實際的復雜流動還差好幾個量級。
即使目前最快的超級計算機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象、物理過程及其演變規律的學科，重點應用在數值氣象預報和氣候變化研究領域。
氣象預報基于大氣物理等研究成果，形成可進行氣象預報的業務系統，基于超級計算系統進行短期內時效性數值預報，因此為了保證給出更長時間的可靠預報，并保障預報結果及時，要求超級計算平臺提供高性能、穩定的計算資源。
氣候變化基于大氣物理開發的模式，依托超級計算系統進行長期的氣候變化預測研究，由于氣候變化研究成效越來越依賴于模擬覆蓋區域范圍及網格精度，而且模擬時限要達到數百年甚至上千年，因此它對超級計算平臺的計算性能、數據訪存性能、任務可擴展性都提出了挑戰。
氣候氣象領域是超級計算應用的傳統領域，也是促進超級計算發展的重要動力。
3.5 地球物理
地球物理學是地球科學的主要學科，用物理學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現象。
地球物理傳統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重地質構造、地震及涉及水圈和大氣層的系統性、大尺度研究。
油氣能源勘探中的地震法勘探數據的三維成像處理具有計算密集、訪存密集、處理數據規模大等特點，需要大規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等新興技術的發展，更是為超級計算發展提出了挑戰。
大地球物理研究領域的計算處理，雖然精度要求沒有小地球物理高，但是由于系統尺度更大、系統更復雜，計算能力需求甚至更大。
3.6 天體物理與天文學
在天文學研究領域，不論是大規模天文觀測數據處理，還是天文數值模擬領域都產生了大規模計算需求。
現在我們已經進入精確天文學研究時代，數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模達到了上萬處理核心，產生的模擬數據超過100TB量級，其自身模擬計算和后續數據處理都需要超級計算平臺完成。
而在天文觀測領域，現在大的天文望遠鏡系統每天采集的數據已經超過TB量級，而未來的SKA等系統每天觀測數據會達到PB(1PB=1，000TB=1，000，000GB)級，必須用超強性能的超級計算系統來完成數據處理。
歸結起來，物理學研究對超級計算帶來的需求和挑戰主要體現在四個方面：超強的計算性能，高速的互聯通信網絡，良好的數據訪存(I/O)，海量存儲能力。
新興的超級計算技術正在努力從不同方面解決上面所面臨的重大挑戰。
4 新興超級計算技術將為物理學研究帶來新的挑戰與機遇
隨著以“天河一號”、“星云”等為代表的國產千萬億次異構超級計算機的研制成功，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的國家。
“天河一號”率先采用CPU+GPU異構架構，成為世界上首臺異構架構的千萬億次超級計算機。
新型的異構體系架構使超級計算機在性能、體積和功耗等方面取得的巨大進步，使中國成為全球當代異構融合超級計算機技術的典型代表。
由于傳統CPU受制作工藝和功耗限制，芯片單位面積內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勢的GPU、MIC等加速芯片越來越多地應用于高性能計算，2013年世界排名前十中，已有近一半采用異構架構，因此異構架構成為超級計算機發展的主流趨勢。
我國超級計算機的計算能力取得了突飛猛進的發展，旺盛的計算需求和日益成熟的高性能計算機技術極大地促進了高性能計算在各個領域的應用。
然而我國超級計算機實際可有效利用的處理器核數相對較少，高性能計算應用軟件的研發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，成為物理學研究等領域的挑戰。
因為，新型體系架構的高性能計算實現，需要適應其體系架構的高性能軟件的支持，在物理學研究領域，大量軟件是歷史積累軟件，這就需要在新型編程框架、功能完善的開發及支持環境方面不斷完善。
同時，異構體系架構超級計算機的發展，也給物理學研究帶來了新的機遇。
計算物理學研究領域，受超級計算能力制約，大量問題被簡化、被分割，無法系統、全面的研究，新型體系機構的超級計算機實現了整體性能的大幅提升、功耗降低、穩定性增強等優勢，為物理學研究帶來了更強大的工具。
隨著超級計算技術的不斷發展和完善，與計算在物理學研究中作用的不斷增強，超級計算與物理學研究的結合，必將產生更多影響人類社會發展的重大成果。
參考文獻：
[1]http：/pic/
[2]Parallel Supercomputing： Past， Present and Future， The Wall Street Journal， Irving Wladawsky-Berger， August 2，2013.
[3]http：/pic/server/jssc/htm2007/20070516_259532.shtml.
[4]http：/pic/article/2007/0517/A20070517592681.shtml.
[5]我院超級計算需求及布局研究，中國科學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(美國科學基金會建造千萬億次計算環境計劃)，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域的政策框架建議)，2007年6月.
[8]PRACE Research Infrastructure，www.prace-ri.eu/.
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