“超级大脑”提速

陈冰

上海超级计算中心今年将从每秒400万亿次的计算能力提速至每秒2500万亿次，2020年将力争“E”级机（每秒可计算百亿亿次的超级计算机，为“神威太湖之光”的10倍）落户上海，为科创中心建设提供高性能数据支撑。

上海科技创新的“超级大脑”——上海超级计算中心到今年已经跨过了17个年头。作为全国首家面向社会开放、资源共享的第三方公共服务平台，上海超级计算中心为来自各领域的基础科学研究、工业创新、城市智慧管理等提供高性能计算服务，是国内运营时间最长、经验最丰富、用户最多、应用最广的超级计算中心。

在上海超算中心一楼机房外的屏幕上可以看到，红、绿两色的比重各占一半，红色表示排队，绿色表示运行。“永远都有用户在排队，这是超算中心的常态。”上海超级计算中心主任周曦民说。

2000年12月，上海超算中心作为上海市一号工程成立，在之后的8年时间里，这里是全国唯一一家超算中心；2009年6月，上海超算中心上线不久的主机“魔方”荣登全球最快计算机排行榜Top500的第十名，那时的运算速度是200万亿次/秒。

去年6月，德国法兰克福国际超算大会（ISC）公布了新一期全球超级计算机Top500榜单，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威太湖之光”以超第二名近3倍的运算速度夺得第一，其运算峰值性能达到每秒12.5亿亿次，持续性能达到每秒9.3亿亿次，是全球第一台运行速度超过每秒10亿亿次的超级计算机。

说得通俗一点，“神威太湖之光”一分钟的计算能力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。如果用2016年生产的主流笔记本电脑或个人台式机作参照，“神威太湖之光”相当于200多万台普通电脑。

相比之下，上海超级计算中心的计算资源已经远远跟不上目前的需求。虽然在一段时间内，上海超算中心用出色的运维能力弥补了计算能力的不足，但作为上海张江综合性国家科学中心的计算能力提供方和数据支持方，运算能力的不足依然是上海超算中心的“短板”。

好消息是，上海超级计算中心今年将从每秒400万亿次的计算能力提速至每秒2500万亿次，2020年将力争“E”级机（每秒可计算百亿亿次的超级计算机，为“神威太湖之光”的10倍）落户上海，为科创中心建设提供高性能数据支撑。

“超级大脑”新任务

理论推导、实验测试、计算模拟是当今科技创新的三大主要手段。超级计算机作为计算模拟的主要工具，是不可或缺的科研基础设施，也是国家科技创新体系的重要组成部分，已成为世界各国特别是发达国家竞相争夺的战略制高点。

30年前，中国的超级计算机用户有一个神秘的“玻璃房”：美国人把一台超级计算机卖给中国，用不透明的玻璃包裹得严严实实，中国技术人员没有授权不得入内。全国只有几个有授权的科学家能够进入玻璃房，而且是在美国人的监视下，一旦程序运行完，机器立即被锁回玻璃房。那个所谓的超算速度，在今天看来充其量只是一台高性能电脑，但对于当时的中国来说，却是一个难以企及的高峰。

上世纪80年代，我国已逐步迈入独立设计和制造巨型机的国家之列，但却因核心处理器等关键部件与技术的短板只能受制于人，直接导致了我国虽是国外超级计算机“大买家”，却无法拥有匹配的“议价权”。

步入“十二五”，在国家863项目重点支持下，我国超级计算发展不断取得突破。“天河二号”问鼎“六连冠”的同时，在全球超级计算机500强榜单上，中国制造的名单正越来越长，这引起了美国的警惕。2015年4月，美国政府宣布，把与超级计算机相关的4家中国机构列入限制出口名单，目的就在于通过限售，锁死中国超算快速发展的脚步。封锁反而带来了激励，让我国下大力气研发全国产化的“神威”系列超级计算机，直至2016年再次登顶国际榜单。

事实上，正是基于超级计算机的战略性地位和集约化建设的考虑，2000年上海市政府就高瞻远瞩决策成立建设了上海超级计算中心，并取得了重大成效。

成立十余年来，上海超级计算中心的高性能计算服务立足上海，辐射华东，面向全国，用户遍及全国33个省市自治区，建立起了符合行业特点并广受用户好评的运维和服务体系，支撑了一大批国家和地方政府的重大科学研究、重大工程和企业新产品研发，促进了国家重大装备、关键设备、能源安全、核心技术等一系列工程问题的解决，在航空、航天、汽车、船舶、钢铁、微电子、核电工程、装备制造、土木工程、环境气候、药物设计、生命科学、新材料、新能源、天文、物理、化学等数十个重大工程和基础科学领域催生了一批重大成果，充分发挥了公共服务平台的支撑作用，产生了巨大的社会和经济效益。

2016年，上海提出建设上海张江综合性国家科学中心。通过国家科学中心建设，上海将打造全球领先的大型科学研究基础设施，提升科学研究基础设施的共享与效益，完善科学研究创新体系与生态环境，集聚科学研究人才，产生重大科学发现。

上海超级计算中心作为基础设施的组成部分是支撑科技创新的“超级大脑”，自然又有了更新的发展方向与功能定位——建设世界一流的高性能计算、科创云和科研大数据三大服务平台，以及应用研发与产业孵化基地。

未来上海的高性能计算体系（包括上海超级计算中心）将作为国家科学中心大体系的重要组成，既要支撑国家科学中心体系內大科学装置的研制和应用、基础科学研究的高性能计算需求，又要满足工业创新等其他社会各类用户的高性能计算需求，支撑“原始创新”和“从头设计”。

同时，中心还将重点支持健康大数据、气象大数据、工业大数据等领域的研究和应用；重点支持上海光源、蛋白质设施等大科学装置的数据存储、分析和应用。运用大数据处理技术，促进重大科学发现和工程创新，带动高端科研人员的高度汇集和全球协同。

“超级大脑”的“应用战”

全球超算，唯快不破。致力超算研究的意义不仅仅是“速度战”，更重要的是赢得“应用战”。

上海超级计算中心成立十几年来，组建起了一支经验丰富的运维队伍，储备了众多交叉学科人才，为上海工业转型升级、重大基础工程建设、精确天气预报、防污染扩散、海洋潮汐预报、汛期减灾防灾等做出了重大贡献。

在上海超级计算中心大楼的一楼主机房区，可以近距离地看到工作中的超级计算机，通道两边的液晶显示器更是实时显示超级计算机的工作状态和应用成果。在记者的探访中，首先映入眼帘的显示数据就是大家最关心的环境监测数据。

上海超级计算中心系统运维部部长魏玉琪指出，上海超算的高性能计算和存储资源不仅支撑着上海环境监测中心的长三角区域预报系统建设，更是在2016年9月G20峰会期间，全力支持和保障环境监测中心对G20区域空气质量的预报工作。“日常情况下，中心每日为环境监测中心提供840核（35个计算节点），专用的存储资源32TB。而在G20峰会保障期间每日提供1200计算核（50个计算节点）。2016年下半年期间环境监测中心合计使用了计算资源124万核小时。”

魏玉琪还指出，通过对天气大数据的不断收集和分析，天气预报的模型将越来越精准，系统综合判断同样环境条件下，历史上出现的阴晴雨雪的情形，从而推断出当下以及未来的天气走势。“市民未必知道天气预报员都是怎么算的，但最直观的感受就是天气预报越来越准了。”

上海超级计算中心研究发展部部长、首席计算科学工程师王涛博士告诉记者，无论速度有多快，发展超算始终是为了“致用”，而这仍然是当前我国超算发展的短板。

“许多超级计算中心拥有了世界级的计算能力，但是在如何应用上却‘跑得并不顺畅。我们的一些客户因为需要排队等待资源而选择了其他超算中心，但是转了一圈以后又回到了上海超算中心。因为上海超算能够帮助他们提供相应的解决方案，而不仅仅是跑数据。超算中心的技术人员不仅要懂编程，更要懂相应的物理、化学、天文知识，只有这样，才能帮助客户设计合理的算法、模型，得到更加专业的结果。”

王涛举了一个简单的例子。通过应用流体力学的原理，在超级计算机上模拟飞机在空气中的状态，改进飞机的性能。原来高成本的飞机要做多次风洞试验，通过计算机模拟风洞试验，就达到同样的效果。ARJ21支线飞机和研制中的大飞机，许多前期设计工作都是在上海超级计算中心完成的。

“现在新车型研制必须经过安全性能测试。如果每个车型全部使用真车进行安全性能测试，大约需要损耗100多辆新车，如今使用超级计算机模拟汽车碰撞，只需要原来的十分之一真车测试，其余测试工作都可以在超级计算机上完成。因此在汽车研发领域，不少车企都会借力上海超算。”

王涛说，为研发符合2018年五星标准的汽车，上海世科嘉车辆技术研发有限公司就长期运用超算中心的资源为他们研发新车。“通常一个汽车侧面相撞的真车实验至少要花费至少十几万元，但是利用超级计算机的运算，可以将两车全身布满无数个方格，利用物理受力原理，准确模拟出两车相撞可能导致的车辆损毁状况，帮助车企优化新车设计方案，而这样的运算成本可能只要数千元而已。”

在上海光源、上海崇明越江隧道、上海外环线隧道、上海复兴路双层隧道、上海青草沙水源市政工程等重大基础设施工程建设中，上海超算也发挥了重大作用。“上海光源对抗震有特别严格的要求。当初一共有三种施工方案来解决地下工程的防震问题。上海超算通过精密计算，最终找出了最佳的解决方案。上海到崇明的隧桥工程，隧道盾构直径达15米，大型工程会遇到很多难题，工程技术人员只要在超级计算机上建立三维模型，模拟整个隧道掘进过程，就可以帮助施工人员强化控制施工过程和各种风险。”

助力基础科研

上海超级计算中心主任周曦民自豪地表示，上海超级计算中心90%以上的资源用于支持973、863、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等多种科研计划，促进了基础科学的创新研究，催生了大量具有国际影响力的科研成果。

中国科学院上海应用物理研究所高嶷研究员团队通过建立一个新型理论模型，有效模拟了水汽环境对金属纳米颗粒结构形貌的影响。研究显示，环境温度与水汽压强能够显著改变金属纳米颗粒的形貌结构。过去水环境对于固体纳米材料结构性质的影响没有得到足够的重视，现在借助于自主开发的多尺度模型和计算机模拟，可以成功观察到铜纳米颗粒在不同水汽环境中的稳定构型。同时，还可以对水汽环境中金、铂、钯等常用纳米催化剂的形貌进行构建。

这一工作不仅对纳米催化以及纳米材料学领域的实验学家能起到很好的理论指引作用，有助于人们正确认识水-固相互作用，同时为进一步研究介观尺度上外界环境对固体材料的影响提供了一个简单但有效的理论模型。

抗冻蛋白是生活在寒冷区域的生物经过长期自然选择进化产生的一类用于防止生物体内结冰而导致生物体死亡的功能性蛋白质。对于抗冻蛋白抗冻机制的研究有助于揭开冰晶成核、生长和冰晶形貌调控的分子层面的机理。因而，自上世纪60年代首次发现抗冻蛋白以来，科研人员对这类蛋白的抗冻机制进行了近半个世纪的研究。但是，科研人员对抗冻蛋白在调控冰晶成核的机制一直有争议，即有些科研人员认为抗冻蛋白能促进冰核的形成，而另一些科研人员认为抗冻蛋白可以抑制冰核的生成。

中国科学院上海应用物理所方海平研究员与合作者根据抗冻蛋白的冰结合面（ice-binding face）和非冰结合面 （non-ice-binding face）具有截然不同官能团的特性，将抗冻蛋白定向固定于固体基底，选择性地研究了抗冻蛋白冰结合面与非冰结合面对冰核形成的影响。研究表明抗冻蛋白的不同面对冰核的形成表现出完全相反的效应：冰结合面促进冰晶成核，而非冰结合面抑制冰晶成核。

研究员们还通过分子动力学模拟，进一步研究了抗冻蛋白的冰结合面和非冰结合面界面水的结构，发现了冰结合面上羟基和甲基有序间隔排列使得冰结合面上形成类冰水合层，从而促进冰核生成；而非冰结合面上存在的带电荷侧链及疏水性侧链，使得非冰结合面上的界面水无序，从而抑制冰核形成。从而揭示了抗冻蛋白对冰成核“Janus”效應分子层面的机制。

这项研究大大加深了人们对抗冻蛋白分子层面防冻机制的理解，同时对仿生合成防覆冰材料和低温器官保存材料有着重要的指导意义。

周曦民主任感慨，上海超级计算中心成立十几年来，总投入不过6亿元人民币，有力地支撑了基础科学和工业工程领域的原始创新，促进了重大成果的产出和关键问题的解决。但计算资源不足的“短板”制约了超算中心的发展，要力争将“E”级机落户到上海，这才能进一步夯实张江国家科学中心的地基。