超級計算機的九個用武之處

安利

2016年11月，在美國鹽湖城舉行的國際超級計算大會上，新一期全球超級計算機500強（Top500）榜單公布，中國“神威·太湖之光”以較大的運算速度優(yōu)勢蟬聯冠軍。算上此前“天河二號”的六連冠，中國超算系統(tǒng)已在全球超算500強榜單上實現八連冠。不僅如此，中國研究團隊在“神威·太湖之光”上運行的超算應用還首次獲得戈登·貝爾獎，該獎被稱為“高性能計算領域的諾貝爾獎”。那么，在超級計算機上可以進行哪些方面的研究呢？

1.氣候模擬和天氣預報

此次我國獲得戈登·貝爾獎的超算應用名為“全球大氣非靜力云分辨模擬”。該項目面向氣候氣象領域研究。天氣預報需要實時處理、存儲、查詢、分析和統(tǒng)計海量氣象數據，用普通的計算機要算幾百年。比如，降雨與云層的運動密切相關，利用超級計算機，可以對云層運動進行精確模擬與觀測。隨著超級計算機運算速度的提升，觀測精度不斷縮小。如果未來能夠做到“盯準”每一朵云，那么天氣預報就將萬無一失。

2.揭示宇宙演化進程

由中國科學家領銜的一個宇宙中微子數值模擬國際團隊，在“天河二號”超級計算機系統(tǒng)上成功完成3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進程。中微子是自然界中最基本的粒子種類之一，它不帶電，運動速度快，目前的物理學實驗和宇宙學觀測都無法測定中微子的絕對質量。中微子對宇宙早期星系和大尺度結構的形成會產生微弱的抑制作用，后者可以通過大規(guī)模宇宙學數值模擬被間接“測量”，從中獲得中微子質量信息。這種大規(guī)模宇宙學數值模擬，必須依賴具有強大計算和存儲能力的超級計算機。

3.模擬核試驗

Top500榜單上列三、四位的超級計算機是美國的“泰坦”和“紅杉”，它們屬于美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，在其基礎上的超算應用首先涉及核武器的研制和安全維護。利用1945～1992年美國進行的1054次核試驗獲取的數據，通過超級計算機建立核爆炸數學模型，深入了解核爆炸的原理，從而為研制新一代核武器服務；對于現有大批接近服役年限的核武器，可以利用超級計算機模擬預測它們何時會失效，哪個部件需要更換等。

4.地震模擬

超級計算機能模擬地震。它通過計算各種地層應力變化，模擬地殼運動。比如，中、德科學家就利用“天河二號”開展真實地震震波傳播模擬，再現了1992年美國加州蘭德斯大地震震波傳播過程，為研究地震波產生和傳播機理以及地震預報提供新的途徑。

5.海嘯危害預測

日本科學家使用該國超級計算機“京”建立海嘯仿真模型，成功進行了地震發(fā)生后海嘯危害程度的快速預測。結果顯示，在宮城縣海域發(fā)生地震的情況下，最短可在10分鐘內預測出仙臺市的淹水地域。該技術如推廣實施，將可以提高海嘯警報的精確度，更加有效地引導居民避難。海嘯危害仿真計算量很大，耗費大量的時間，因此難以進行實時的危害分析。日本“3·11”大地震發(fā)生時，海嘯浪高的預報值就比實際高度要低。

6.石油勘探

超級計算機還能計算出一口油井究竟應該打在哪里。目前，地震勘探是鉆探前勘測石油和天然氣資源的重要手段。所謂地震勘探，是指利用地下介質彈性和密度的差異，觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態(tài)，從而確定油氣的確切分布。這一過程需要進行海量數據的密集計算和模擬，計算結果出來后還要轉換成直觀的三維畫面，所以必須借助高性能計算機才能實現。

7.精準醫(yī)療

精準醫(yī)療——即給每個人量身定制保健和治療方案——并不只是醫(yī)學上的范疇，而且與計算能力密切相關。基因的差異決定個體差異。一個人的基因組里就有30億對堿基等待科學家分析，并要考慮人的生活習慣和外部環(huán)境等信息。而這還遠遠不夠，至少需要幾百萬個人的基因數據組成數據庫，這樣才能分析清楚基因差異和各種健康問題的關系，從而因人施“治”。所有這些都需要超強的計算能力才能應對。

8.模擬血流

人體中血管的總長度加起來有10萬～16萬千米，實時模擬血液在血管中的流動如果沒有超級計算機幾乎是不可能完成的任務。美國科學家已利用超級計算機成功再現了整個人體的動脈系統(tǒng)，任何直徑在1毫米以上的動脈血管都會出現在三維模型中，分辨率達到9微米。中國科學家也在利用“神威·太湖之光”對人體血流進行模擬與分析。這可以及時有效地判定一個人是否會有發(fā)生腦梗塞的風險，而無需在血管中放入測量設備。除了模擬血流，超級計算機還可模擬心臟、大腦等身體任何部位。

9.藥物開發(fā)

在超級計算機“京”的幫助下，科學家成功研發(fā)出新型抗癌藥物。研究人員著眼于對癌細胞增殖發(fā)揮重要作用的蛋白質，并以這種特殊蛋白質為切入點，利用超級計算機模擬計算出能夠有效抑制癌細胞增殖的化學物質。一般情況下，要計算出這種癌細胞特有的蛋白質與可能有效的藥物結合的情況以及對體內水分的影響是極其復雜的，必須借助超級計算機進行精密的模擬實驗。

【責任編輯】龐 云