HPC在近物所

文/齊記 高笑菲 楊瓊 周慶國

HPC在近物所

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那些“做不起”及“做不了”的實驗，高性能計算都能幫助我們實現。

隨著科學技術的不斷發展，科學研究領域變得更加廣闊,研究內容包羅萬象,研究方法也日新月異。但龐大的實驗數據、復雜的計算方法、高昂的實驗成本、普通計算機低效的計算速度，都讓科研人員傷透了腦筋。與此同時，隨著計算機科學與技術的發展，使得科學計算技術成為與理論、實驗具有同等地位的當代科學研究的三大支柱。越來越多的科學研究和重大工程中的關鍵問題都必須依靠大規模、高性能的計算來完成。為了解決那些“做不起”及“做不了”的實驗，提高計算機的計算性能迫在眉睫，高性能計算勢在必行。

中國科學院近代物理研究所以重離子核物理基礎研究和相關領域的交叉研究為主要學科方向，相應發展加速器物理與技術及核技術，擁有蘭州重離子加速器國家實驗室，在我國核物理界具有較高地位。中科院近物所超算中心現有深騰7000G超級計算集群一套，胖節點集群一套，數據庫集群一套（在建），專用工作站集群一套以及終端集群一套。其中深騰7000G超級計算集群是CPU/GPU混合集群，由聯想公司購進（圖1），其余均是自建；圖2是自建胖節點集群和在建的數據庫集群。總的計算能力達到了250Tflops。

目前，超算中心主要服務于蘭州加速器國家實驗室，已經開發和正在開發的應用主要包括以下幾個方面：1. 加速器束流模擬研究；2.離子束與物質相互作用研究；3. 重離子束與物質相互作用后的缺陷擴散研究；4. 材料的力學性質研究；5. 加速器模擬研究； 7.流體力學模擬研究；6. 分子動力學研究； 8. 系統生物學研究等。下面簡要介紹這些應用：

圖1 近物所深騰7000G超算集群

圖2 左邊是已建好的24核胖節點集群， 右邊是在建的數據庫集群和專用工作站集群。

加速器束流模擬研究

加速器束流是經過加速器加速了的一束帶電粒子流，從加速器加速以后，具有很高的能量。我們的束流模擬以粒子模擬為基礎，能模擬束流在不同加速器中的運行情況，為科研人員提供了直觀的認識。更為重要的是，束流的模擬為調節加速器不同部件的參數提供了有力依據。

離子束與物質相互作用研究

從加速器打出來的離子束可以與物質相互作用，這種相互作用會影響到物質的各種性質。我們的相互作用程序是基于GPU的，目前二維模擬的粒子數目已經可達10^9。基本上接近于宏觀物體。

重離子束與物質相互作用后的缺陷擴散研究

當重離子束與物質相互作用后，必然會在被轟擊物質造成一定缺陷（或者說破壞）。這些缺陷在束流打過物質之后仍然存在，最終影響物質本身。關于缺陷擴散，我們用了兩個模型來研究，一個是擴散方程的方法，我們的GPU程序比CPU程序要快20倍以上；另一個是DLA模型，DLA模型是基于蒙特卡洛方法的，需要大量的隨機數，由于其本身的特點，采用DLA模型的缺陷擴散程序比CPU只快8倍左右。但是仍然，我們將計算的實際尺寸擴大了一個數量級。

材料的力學性質研究

物質的力學性質的模擬研究也是基于蘭州重離子國家實驗室的加速器裝置。當缺陷不再擴散以后，物質的力學性質的是否發生變化也是很重要的課題。例如，在考慮核電站的堆的材料時，那些材料處在高輻照環境下，經過很長時間以后，材料的力學性質是否發生變化，直接影響到反應堆的安全性。因此，選擇新型材料，使其長時間適應高輻照環境，是極端重要的。如果僅僅依靠實驗，代價明顯太大。利用超級計算機來模擬材料的力學性質，不僅可以實現對高輻照環境下的材料的選擇，還可以節省大量的時間和金錢。我們的力學性質研究程序是基于GPU的，和CPU程序相比，GPU程序可以模擬更大尺寸，更長時間下的材料的性質。

加速器模擬研究

眾所周知，加速器可以用于粒子對撞實驗、質量測量、生物輻照、束流診斷等基礎科學研究，世界各發達國家均有不同用途的加速器。但是加速器構造復雜，造價高昂，維護成本極高。加速器模擬可以為加速器建造提供依據，也可以為加速器在運行時的參數調節提供重要參考。我們的加速器模擬程序基于全三維PIC算法，能模擬部分加速器器件。

流體力學模擬研究

流體力學研究主要分兩個方面，一方面是利用商用軟件Ansys；另一方面是基于有限差分法的流體力學算法的開發，這是一個具有自主知識產權的軟件，目前還在開發中。

我們要模擬的是較大規模的流體，前面提到的多核胖節點集群和專用工作站集群主要用于Ansys集群。目前，Ansys軟件已經成功用于模擬多物理場耦合分析。

分子動力學研究

分子動力學方法主要是依靠牛頓力學來模擬分子體系的運動，以在由分子體系的不同狀態構成的系綜中抽取樣本，從而計算體系的構型積分，并以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質。我們的分子動力學程序以自主開發為主，并基于GPU。目前可以模擬的尺寸可達微米量級。

系統生物學

系統生物學主要是利用開源軟件來進行序列比對，目前對大腸桿菌、擬南芥、裂殖酵母及芽殖酵母四種模式生物的蛋白質組進行了生物信息學分析。

（作者單位：1為中國科學院近代物理研究所；2為蘭州大學通訊學院）