超级计算机的九个用武之处

安利

2016年11月，在美国盐湖城举行的国际超级计算大会上，新一期全球超级计算机500强（Top500）榜单公布，中国“神威·太湖之光”以较大的运算速度优势蝉联冠军。算上此前“天河二号”的六连冠，中国超算系统已在全球超算500强榜单上实现八连冠。不仅如此，中国研究团队在“神威·太湖之光”上运行的超算应用还首次获得戈登·贝尔奖，该奖被称为“高性能计算领域的诺贝尔奖”。那么，在超级计算机上可以进行哪些方面的研究呢？

1.气候模拟和天气预报

此次我国获得戈登·贝尔奖的超算应用名为“全球大气非静力云分辨模拟”。该项目面向气候气象领域研究。天气预报需要实时处理、存储、查询、分析和统计海量气象数据，用普通的计算机要算几百年。比如，降雨与云层的运动密切相关，利用超级计算机，可以对云层运动进行精确模拟与观测。随着超级计算机运算速度的提升，观测精度不断缩小。如果未来能够做到“盯准”每一朵云，那么天气预报就将万无一失。

2.揭示宇宙演化进程

由中国科学家领衔的一个宇宙中微子数值模拟国际团队，在“天河二号”超级计算机系统上成功完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。中微子是自然界中最基本的粒子种类之一，它不带电，运动速度快，目前的物理学实验和宇宙学观测都无法测定中微子的绝对质量。中微子对宇宙早期星系和大尺度结构的形成会产生微弱的抑制作用，后者可以通过大规模宇宙学数值模拟被间接“测量”，从中获得中微子质量信息。这种大规模宇宙学数值模拟，必须依赖具有强大计算和存储能力的超级计算机。

3.模拟核试验

Top500榜单上列三、四位的超级计算机是美国的“泰坦”和“红杉”，它们属于美国能源部下属的橡树岭国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室，在其基础上的超算应用首先涉及核武器的研制和安全维护。利用1945～1992年美国进行的1054次核试验获取的数据，通过超级计算机建立核爆炸数学模型，深入了解核爆炸的原理，从而为研制新一代核武器服务；对于现有大批接近服役年限的核武器，可以利用超级计算机模拟预测它们何时会失效，哪个部件需要更换等。

4.地震模拟

超级计算机能模拟地震。它通过计算各种地层应力变化，模拟地壳运动。比如，中、德科学家就利用“天河二号”开展真实地震震波传播模拟，再现了1992年美國加州兰德斯大地震震波传播过程，为研究地震波产生和传播机理以及地震预报提供新的途径。

5.海啸危害预测

日本科学家使用该国超级计算机“京”建立海啸仿真模型，成功进行了地震发生后海啸危害程度的快速预测。结果显示，在宫城县海域发生地震的情况下，最短可在10分钟内预测出仙台市的淹水地域。该技术如推广实施，将可以提高海啸警报的精确度，更加有效地引导居民避难。海啸危害仿真计算量很大，耗费大量的时间，因此难以进行实时的危害分析。日本“3·11”大地震发生时，海啸浪高的预报值就比实际高度要低。

6.石油勘探

超级计算机还能计算出一口油井究竟应该打在哪里。目前，地震勘探是钻探前勘测石油和天然气资源的重要手段。所谓地震勘探，是指利用地下介质弹性和密度的差异，观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态，从而确定油气的确切分布。这一过程需要进行海量数据的密集计算和模拟，计算结果出来后还要转换成直观的三维画面，所以必须借助高性能计算机才能实现。

7.精准医疗

精准医疗——即给每个人量身定制保健和治疗方案——并不只是医学上的范畴，而且与计算能力密切相关。基因的差异决定个体差异。一个人的基因组里就有30亿对碱基等待科学家分析，并要考虑人的生活习惯和外部环境等信息。而这还远远不够，至少需要几百万个人的基因数据组成数据库，这样才能分析清楚基因差异和各种健康问题的关系，从而因人施“治”。所有这些都需要超强的计算能力才能应对。

8.模拟血流

人体中血管的总长度加起来有10万～16万千米，实时模拟血液在血管中的流动如果没有超级计算机几乎是不可能完成的任务。美国科学家已利用超级计算机成功再现了整个人体的动脉系统，任何直径在1毫米以上的动脉血管都会出现在三维模型中，分辨率达到9微米。中国科学家也在利用“神威·太湖之光”对人体血流进行模拟与分析。这可以及时有效地判定一个人是否会有发生脑梗塞的风险，而无需在血管中放入测量设备。除了模拟血流，超级计算机还可模拟心脏、大脑等身体任何部位。

9.药物开发

在超级计算机“京”的帮助下，科学家成功研发出新型抗癌药物。研究人员着眼于对癌细胞增殖发挥重要作用的蛋白质，并以这种特殊蛋白质为切入点，利用超级计算机模拟计算出能够有效抑制癌细胞增殖的化学物质。一般情况下，要计算出这种癌细胞特有的蛋白质与可能有效的药物结合的情况以及对体内水分的影响是极其复杂的，必须借助超级计算机进行精密的模拟实验。

【责任编辑】庞 云