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超级计算与物理学
超级计算与物理学
【摘 要】 当前，超级计算已成为继理论和实验之后科学研究的第三大研究方法，已经渗透到科学研究与工程设计的各个层面，成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段。
超级计算的核心是超级计算机，从1976年世界上首台商用巨型机Cray-1问世，超级计算机发展迅速，截止2013年底，性能提升超过100，000，000倍。
其中，物理学研究成为超级计算发展的重要驱动力，在高能物理与核物理、天体物理、大气物理、流体力学、地球物理、材料物理等领域诸多前沿技术研究都需要超级计算的支撑，而同时由于这些需求的快速增长也对超级计算机计算性能、互联网络带宽、数据访存(I/O)和海量存储等能力提出了挑战。
“天河一号”等异构体系架构超级计算机的研制成功，拓展了超级计算机发展的空间，也为物理学开展更大规模、更精确研究提供了更强有力的平台。
【关键词】 超级计算 物理学 研究
1 计算科学的重要性日益凸显
当前，超级计算已成为继理论和实验之后科学研究的第三大研究方法，已经渗透到科学研究与工程设计的各个层面，成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段。
在一些新兴的学科，如新材料新能源技术和生物技术领域，超级计算机已成为科学研究的必备工具。
同时，超级计算也越来越多地渗透到能源开发、高端装备制造等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。
金融、政府信息化、企业等更广泛的领域对超级计算的需求也迅猛增长。
现今超级计算是国家科学技术创新发展的关键要素，是体现国家科学技术核心竞争力的重要标志，是支撑国家综合国力持续提升的关键领域之一。
同时，应用领域的快速扩展，也对超级计算发展提出了更大需求和更高要求。
尤其当代科技对计算的要求越来越高，应用领域要达到全物理、全系统、三维、高分辨、高逼真的建模能力，这一要求已远远超过目前的计算能力。
这是一个巨大的挑战，带来了一系列世界性难题，形成了当代科学计算的学科前沿。
正是由于需求的牵引和计算科学自身发展的推动，各发达国家都大力发展超级计算。
我国也在《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》等关系国家战略发展方向的重要文件都指出，要大力发展新一代信息技术，突破制约高端信息技术产业发展的瓶颈，掌握超级计算、云计算、大数据等核心技术，以应用需求为导向，重视和加强创新，开发支撑和带动产业发展的技术和关键产品，促进产业改造和技术升级。
2 超级计算发展迅速及各国发展战略
超级计算的核心是超级计算机，超级计算机并没有明确定义，通常指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑，具有很强的计算和处理数据的能力，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。
1976年世界上首台商用巨型机Cray-1问世，成为超级计算机发展起步的标志。
超级计算机发展迅速，截止2013年底，短短37年的时间，性能提升超过100，000，000倍，Cray-1浮点计算性能只有160Mflops(现在普通电脑的性能已达到1，000Mflops量级)，而2013年排名世界第一的“天河二号”超级计算机峰值计算速度每秒达5.49亿亿次(54，900，000，000，000Mflops)、持续计算速度每秒3.39亿亿次[1]。
从技术发展角度来说，单个CPU性能提升基本满足“摩尔定律”，也就是每18个月左右CPU性能提升1倍，但是超级计算机性能的提升远高于高CPU性能提升的速度，基本按指数方式在提升(参看图1)。
超级计算机之所以能获得如此卓越性能和发展速度，主要得益于并行技术的支撑[2]。
世界上许多国家对计算能力的建设和计算科学的发展都给予了高度重视，不少国家都制定了国家层面的计划[3，4，5]。
(1)美国：从1970年代起就实施了一系列推动计算科学发展的国家计划，包括“战略计算机计划”(SCP)、“高性能计算和通讯计划”(HPCC)、“加速战略计算计划”(ASCI)、“先进计算设施伙伴计划”(PACI)等。
2005年，美国总统信息技术咨询委员会(PITAC)的报告《计算科学：确保美国的竞争力》中指出，“二十一世纪最伟大的科学突破将是计算科学所获得的成就”，建议“联邦政府、学术界和工业界必须共同制定一个数十年的发展蓝图，在科学和工程学科方面推动计算科学的发展。”
并且警告说：“美国现正处在关键时刻，如果我们还不高瞻远瞩和承担自己的义务，长此以往，国家的科学领导地位、经济竞争力和国家安全后果不堪设想。”2006年，NSF提出了到2010年建设千万亿次计算规模的国家超级计算环境[6]。
(2)欧盟：欧盟“欧洲高性能计算任务组(HET―High Performance Computing in Europe Taskforce)”在2007年1月发布了欧洲在高性能计算领域的政策框架建议[7]，提出在欧洲建立一个可持续的科学研究超级计算基础设施，其中包括一个位于“高性能计算生态系统(HPC Ecosystem)”金字塔顶端的千万亿次超级计算机。
2010年6月，欧盟在西班牙巴塞罗那宣布启动一项投入经费5亿欧元的计划，该计划被命名为欧洲先进计算伙伴关系(PRACE)，将联合欧委会与20个欧洲国家的力量，使欧洲科学家能够共享其它国家的超级计算机，运算速度将达到每秒1千兆次。
通过PRACE计划，德国的目前欧洲最快运算速度的Jugene将成为第一个为欧洲科学家提供服务的超级计算机。
到2015年，位于德国、法国、意大利和西班牙的更多超级计算机将陆续提供类似服务。
该计划将对具有提供超级计算机落户条件的国家开放[8]。
(3)日本、澳大利亚、韩国等国家都对超级计算能力建设和应用高度重视，提出了国家级计划。
日本在2002年依靠“地球模拟器”、2011年“京”两次获得世界排名第一，更是与2013年启动了“E”超级计算机的研制计划。
(4)中国：我国科技部的国家863计划于2006年启动了“高效能计算机及网格服务环境”重大专项，已连续“十五”、“十一五”、“十二五”三个五年计划支持我国超级计算发展，先后支持自主百亿次、千万亿次、十亿亿次超级计算机系统研制和应用。
同时，我国也于近期启动了“E”级超级计算机研制计划。
3 物理研究中重大挑战性问题需要超级计算来解决
物理学研究是科技发展的重要基础，经过从近代物理到现代物理数百年的发展，物理学从理论到应用已经形成的比较完善的体系，但是在物理学研究领域面临的挑战性问题丝毫没有减少，而且越来越多的问题已经无法用单纯的理论或实验的方法进行解决，超级计算的发展使得计算在这些重大挑战性问题的研究中发挥越来越重要的作用。
3.1 高能物理与核物理
在该领域对超级计算的需求来源于两个方面。
(1)海量实验数据的分析和处理：以欧洲核子研究组织CERN的大型强子对撞机LHC为例，加速器每秒钟在检测器中心产生4000万次粒子碰撞事件。
计算机实时地从这4000万事件中挑选出100个“好”事件，也就是符合物理学家要求的事件，并以每秒100-1000MB的速度记录在光盘或磁带上。
加速器将产生空前的数据：每秒产生100MB原始数据，每年将产生需记录的事件约为1亿个，每年的数据量就达到15PB(1015Byte)。
存储这15PB数据量每年需要使用两千万张CD，分析则需要使用100万台当今最快的计算机处理器。
因此，在未来的二十年中，主要的高能物理实验，特别是大型强子对撞机，产生的海量数据会使高能物理以及计算科学研究面临前所未有的挑战。
(2)物质起源、物质相互作用的大规模模拟：在高能物理与核物理层面开展物质起源、物质相互作用研究，需要基于量子色动力学、相对论、量子场论等复杂理论，构建复杂数学模型对夸克、胶子、质子、中子等粒子进行大规模数值模拟，从而得到有价值的模拟结果来指导实现或理论研究，但这些大规模计算工作，必须要依赖超级计算的支撑。
3.2 材料物理
材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主。
但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。
因此，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。
然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。
因此，在现代材料学领域中，随着计算材料学的不断发展，“计算实验”作用会越来越大，已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究手段。
3.3 流体力学
计算流体力学从20世纪中叶快速发展起来，目前已成为国际上一个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计等诸多工程领域。
计算流体力学领域最复杂、最具挑战性的问题是湍流的直接模拟，其一直受到计算机速度与容量的限制。
主要困难在于湍流脉动运动中包含着大大小小不同尺度的涡运动，其最大尺度L可与平均运动的特征长度相比，而最小尺度则取决于粘性耗散尺度，即为Kolmogorov定义的内尺度，其尺度的比例随着雷诺数的升高而迅速增大。
目前已经证明，直接数值模拟的计算量与雷诺数的三次方成正比。
鉴于这些原因，目前直接数值模拟的雷诺数与实际的复杂流动还差好几个量级。
即使目前最快的超级计算机也只能开展有限条件下的湍流直接模拟。
3.4 大气物理
大气物理是研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科，重点应用在数值气象预报和气候变化研究领域。
气象预报基于大气物理等研究成果，形成可进行气象预报的业务系统，基于超级计算系统进行短期内时效性数值预报，因此为了保证给出更长时间的可靠预报，并保障预报结果及时，要求超级计算平台提供高性能、稳定的计算资源。
气候变化基于大气物理开发的模式，依托超级计算系统进行长期的气候变化预测研究，由于气候变化研究成效越来越依赖于模拟覆盖区域范围及网格精度，而且模拟时限要达到数百年甚至上千年，因此它对超级计算平台的计算性能、数据访存性能、任务可扩展性都提出了挑战。
气候气象领域是超级计算应用的传统领域，也是促进超级计算发展的重要动力。
3.5 地球物理
地球物理学是地球科学的主要学科，用物理学的方法和原理研究地球的形成和动力，研究广泛系列的地质现象。
地球物理传统上又分为小地球物理和大地球物理，小地球物理主要是指油气等能源勘探过程中的地球物理研究，大地球物理主要是指侧重地质构造、地震及涉及水圈和大气层的系统性、大尺度研究。
油气能源勘探中的地震法勘探数据的三维成像处理具有计算密集、访存密集、处理数据规模大等特点，需要大规模超级计算平台为支撑，特别是逆时偏移处理RTM、全波形反演FWI等新兴技术的发展，更是为超级计算发展提出了挑战。
大地球物理研究领域的计算处理，虽然精度要求没有小地球物理高，但是由于系统尺度更大、系统更复杂，计算能力需求甚至更大。
3.6 天体物理与天文学
在天文学研究领域，不论是大规模天文观测数据处理，还是天文数值模拟领域都产生了大规模计算需求。
现在我们已经进入精确天文学研究时代，数值模拟正扮演越来越重要的角色，为了开展宇宙演化模拟，美国、欧洲等开展的并行模拟规模达到了上万处理核心，产生的模拟数据超过100TB量级，其自身模拟计算和后续数据处理都需要超级计算平台完成。
而在天文观测领域，现在大的天文望远镜系统每天采集的数据已经超过TB量级，而未来的SKA等系统每天观测数据会达到PB(1PB=1，000TB=1，000，000GB)级，必须用超强性能的超级计算系统来完成数据处理。
归结起来，物理学研究对超级计算带来的需求和挑战主要体现在四个方面：超强的计算性能，高速的互联通信网络，良好的数据访存(I/O)，海量存储能力。
新兴的超级计算技术正在努力从不同方面解决上面所面临的重大挑战。
4 新兴超级计算技术将为物理学研究带来新的挑战与机遇
随着以“天河一号”、“星云”等为代表的国产千万亿次异构超级计算机的研制成功，中国也成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。
“天河一号”率先采用CPU+GPU异构架构，成为世界上首台异构架构的千万亿次超级计算机。
新型的异构体系架构使超级计算机在性能、体积和功耗等方面取得的巨大进步，使中国成为全球当代异构融合超级计算机技术的典型代表。
由于传统CPU受制作工艺和功耗限制，芯片单位面积内集成的晶体管已接近上限，在计算性能和功耗等方面有更有优势的GPU、MIC等加速芯片越来越多地应用于高性能计算，2013年世界排名前十中，已有近一半采用异构架构，因此异构架构成为超级计算机发展的主流趋势。
我国超级计算机的计算能力取得了突飞猛进的发展，旺盛的计算需求和日益成熟的高性能计算机技术极大地促进了高性能计算在各个领域的应用。
然而我国超级计算机实际可有效利用的处理器核数相对较少，高性能计算应用软件的研发水平和性能水平与硬件相比相对滞后，如何高效利用以“天河一号”、“天河二号”为代表的超级计算机，成为物理学研究等领域的挑战。
因为，新型体系架构的高性能计算实现，需要适应其体系架构的高性能软件的支持，在物理学研究领域，大量软件是历史积累软件，这就需要在新型编程框架、功能完善的开发及支持环境方面不断完善。
同时，异构体系架构超级计算机的发展，也给物理学研究带来了新的机遇。
计算物理学研究领域，受超级计算能力制约，大量问题被简化、被分割，无法系统、全面的研究，新型体系机构的超级计算机实现了整体性能的大幅提升、功耗降低、稳定性增强等优势，为物理学研究带来了更强大的工具。
随着超级计算技术的不断发展和完善，与计算在物理学研究中作用的不断增强，超级计算与物理学研究的结合，必将产生更多影响人类社会发展的重大成果。
参考文献：
[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]我院超级计算需求及布局研究，中国科学院超级计算专家委员会，2007年7月20日.
[6]Leadership-Class System Acquisition - Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering(美国科学基金会建造千万亿次计算环境计划)，2007年3月.
[7]Towards a Sustainable High-Performance Computing Ecosystem through Enabling Petaflop Computing in Europe，(欧洲在高性能计算领域的政策框架建议)，2007年6月.
[8]PRACE Research Infrastructure，www.prace-ri.eu/.
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