《超级计算机》word版.doc

超级计算机任何时候的最高级计算机都叫超级计算机，以前的超级计算机现在连普通的笔记本电脑都不如。孙家昶在开题时就深入浅出地告诉大家，超级计算机其实是一个不断升级的概念。提高计算机速度是计算机发展中永恒的主题。2002年度国家最高科技奖获得者、中国工程院院士金怡濂这样指出。超级计算机的诞生，就是为了解决普通计算机所不能完成的大型复杂问题。孙家昶说。超级计算机最早是在军事上使用，现在很大程度上的应用也在军事领域。因为在军事上只要快一点点，就能获得更大的控制权。孙家昶说。世界上第一台计算机诞生于二战期间，当时，美国研制超级计算机为了测算弹道速度。此后，各国在超级计算机的研发领域，一直是你追我赶，丝毫不敢松懈。事实上，突出表现一国科技实力的超级计算机，堪称集万千宠爱于一身的高科技宠儿，在诸如天气预报、基因分析、核工业、航天等高科技领域长袖善舞。计算机模拟已经成为理论和实践之外的第三大科学研究方法。孙家昶介绍道，在现实生活中，很多研究是无法在现实世界中进行实验的，比如核武器爆炸、地震、洪水以及恐怖袭击等灾害性事件，这些就需要有超级计算机来进行模拟和仿真。还有一些复杂的大型问题的求解，比如地球物理探测、对天体演变的研究、对上亿人口的社会学研究等，也需要超级计算机。高性能计算机还是航空航天领域、药物研究和设计领域的重要科研手段。金怡濂曾在中国科技馆举行的大师讲科普活动中讲课，比如说航空航天领域现在有数值风洞模拟。做飞机的物理实验需要依靠风洞。所谓风洞就是做一个很大很大的筒子，鼓很强的风，模拟天空的气流，然后做一个飞机或者飞机的翅膀放在里面，测量各个点的各种参数，这是风洞试验，很复杂，代价很大。然而现在很多风洞试验不需要这样做了，而是利用高性能计算机做数值风洞模拟。过去靠实验研制一种新药，需要10-12年时间，据美国科学家统计，要花费3.5亿美元，现在主要是靠计算机来辅助药物研究，可以缩短药物研制周期，节省经费。计算机做什么呢?主要是做药物的筛选，从大量的化合物样品库中，发现对治某种病有药理活性的化合物。过去式靠化学实验室瓶瓶罐罐实验，命中率只能达到0.01%，现在靠计算机筛选，而由于计算机筛选速度比较快，因而命中率就比较高，可以达到2%-24%，大大提高了筛选的有效性。金怡濂举例说。要速度，更要应用超级计算机的应用程度远低于美国等发达国家，一直是我国科学家的一块心病。据介绍，在我国，超级计算机目前主要应用在气象、石油开采、科学计算、生物研究等这些象牙塔领域，核心的工业领域尚没有广泛应用。而在发达国家，用户则遍布社会的各个领域，波音飞机、福特汽车、好莱坞电影等，背后都有超级计算机的功劳。正是应用的差距造成了一种状况，在我国，往往是先研制出超级计算机，再去找需求；而在发达国家，往往是先有大的需求，再去造超级计算机。享有盛誉的天河一号系统目前已在石油勘探、高端装备制造、生物医药、动漫设计等方面为20多家用户提供服务。天河一号常务副总设计师、国防科大计算机学院院长廖湘科表示，要用好超级计算机，必须在每个专业学科领域-工业、流体力学、结构仿真、生命科学等都开发出专门的应用软件，改变严重依赖进口的局面。这是一个长期而艰巨的任务，需要提高认识，从学科建设的角度制定长远规划，从培养严重缺乏的应用开发人才做起。面对当代社会，人口越来越多、信息量越来越大、气候越来越暖、灾害凸显频繁、科学问题越来越艰深(高温、高压、高速、高精度)，对计算能力的需求也迅速提升。美国科学家对一些顶级科学问题的计算量做出过估计：全球海洋计算达到1015/秒、原子内电子能计算达到1017/秒、计算流体力学将达到1018/秒。现在，数值模拟已经广泛应用到社会生产生活中的各个领域：金融、航空、海洋工程、新材料、新能源、飞机制造、船舶制造和汽车制造等行业，还包括天气预报、传染病扩散、密码情报分析等公共事务。超级计算机当然还是一个国家综合实力的象征。国家863软件专业孵化器(昆明)基地积极加强与由美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士陈世卿博士领衔的超级计算核心技术和科学家团队的合作，利用超级计算机强大的科学计算能力，解决污染整治对算法、方程、建模、模拟等复杂计算的需求。2004年，深圳蚬壳星盈科技有限公司研制成功，而理论上运算速度可达每秒100万亿次的超级刀片计算机。在此之前，中国运算速度最快的计算机是曙光4000A，而它的运算速度是每秒11万亿次，排列世界第十七。世界运算速度最快的计算机是美国能源部的92万亿次，美国太空总署的61万亿次，日本的NEC公司的41万亿次地球模拟器。超级计算机是高科技发展的要素，也是一个国家在国防和经济方面的必争利器。美国军事密码破译，航天太空舱和风洞仿真实验，氢弹、核弹、飞弹、航空母舰、战机和战车等各种新式武器研制，以及美国经济重点企业诸如能源、航空、汽车等方面都会大量使用超级计算机技术，可以说，超级计算机的价值日益重要，能够作为一个国家高科技水平的关键衡量标准，掌握这个技术的重要性自不待言。理论、试验和计算是现在科技创新的三大支柱，而超级计算机则是高端计算能力的支撑，既可以对物理现象仿真和模拟，对复杂数据分析，也可以用于产品设计中复杂的设计计算。现在曙光4000A正在支撑的300多个用户，将大部分移师魔方，包括气象预报、生物药物、生命科学、汽车、核电、钢铁、新材料、土木工程、物理、化学、航空、航天、船舶等数十个应用领域。此外，也许有一天你所搭乘的国产大飞机，不仅机身设计靠的是超级计算机的贡献，连出现在你面前的飞行员、空姐排班顺序也是超级计算机所决定的。随着乘务人员和航班数量的大幅增加，排列组合的可能性也指数级增加，传统的Excel已黔驴技穷，因此也要借脑来算一算。超级计算机500强排行榜中，美国入围的291台超级计算机中有35台用于金融企业或相关机构。未来，魔方将助力上海国际金融中心建设，为金融机构设计衍生产品、控制风险、提供各种计算解决方案。/【美国有线电视新闻国际公司网站文章】题：超级计算机在薯片、蛋白质和核弹等研究领域大显身手(作者佩姬米赫利奇)今天的超级计算机可以确保核武器库的安全、预测天气、设计更安全的节能汽车、绘制DNA图谱、探索宇宙，甚至设计新型薯片。IBM公司深度计算部门负责人戴夫图雷克说：品客薯片是用(超级计算)能力设计出来的-评估其空气动力学特性以便在生产过程中不会飞出生产线。超级计算机让研究人员可以在几天、几周或几个月时间内完成他们在普通计算机上终生都无法完成的工作。加利福尼亚劳伦斯一利弗莫尔国家实验室国防和核技术部门负责人布鲁斯古德温说，世界顶尖超级计算机生产数据的速度相当于在几秒钟内把整个美国国会图书馆的资料全部输人计算机。日本横滨地球模拟中心主任佐藤铁屋教授说，通过卫星和海洋浮标收集气候数据，然后输入超级计算机，把计算结果变成动画，从而帮助气候学家了解地球上所发生的情祝。动画的形式对圣克鲁斯加利福尼亚大学的乔尔普里麦克教授也很有帮助。他把地基望远镜收集的数码图像输入超级计算机，把它们变成电影。近期超级计算机成了服务器频道热议的话题，人们对这种超高科技玩意儿产生了出奇的好奇心。今天要为大家带来的是有关超级计算机的一些故事，看看世界上最快的超级计算机都在干些什么。JAGUAR与曼哈顿计划Cray美洲豹超级计算机作为到现在为止全世界最快的超级计算机(Cray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHz内核数224162个，实测运算速度1759000 GFLOPS，理论峰值运算速度2331000 GFLOPS)，Cray美洲豹隶属于美国能源部，坐落于美国橡树岭国家实验室。说到橡树岭国家实验室，作为曼哈顿计划的一部分，(曼哈顿计划就是美国于1942年利用核裂变反应研制原子弹的计划。曼哈顿计划成功实施后为美国留下了巨大的财富-洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室)最近的项目是将建设核能创新中心。橡树岭国家实验室美国能源部于5月28日宣布，为激励创新和实现清洁能源突破，由橡树岭国家实验室领导的团队将获得1.22亿美元的支持，目的是在五年内建立和运营一座核能建模与仿真能源创新中心。该中心的人员将来自大学、产业界和其他国家实验室，将利用世界上性能最先进、功能最强大的美洲豹超级计算机，推动核反应堆在设计和工程方面的重大飞跃。创新能源能源创新中心将要求工程师对目前运行的反应堆进行仿真建模，建立一个虚拟模型。然后利用虚拟模型来解决有关反应堆运作与安全方面的重要问题，解决包括诸如增加电力产出、延长反应堆寿命等问题。通过从虚拟模型和现实反应堆中获得的数据相结合来解决核能在近期、中期和长期内所面临的技术问题。JAGUAR已经公布的6大应用图解：美洲豹JAGUAR已公布的科学应用在已经披露过的美洲豹超级计算机的科学应用中，上图从左到右从上到下依次为：1：极端气候模拟该项目是在美国国家能源部、美国国家大气研究中心通过其古气候计划的支持下。在地球45亿年的历史中，气候总在冷热间徘徊。而通过美洲豹超级计算机现在可以完整的连续的模拟这个过程，利用全球气候模型，包括大气之间的相互作用耦合，海洋，陆地之间的移动。提供了有关全球气候变化根源和影响的珍贵数据。2：超新星研究该项目是由加州大学圣克鲁兹分校的教授负责。Ia型超新星在性质上是最大的热爆炸，规模之大远超过太阳以及其他生命元素，这些爆炸的恒星最神秘的地方在于它们的爆炸方式。美洲豹超级计算机模拟运行了Ia型超新星的爆炸过程，模拟出了在爆炸的不同时间段产生出的放射性碎片等。这些资料为美国宇航局的相关研究提供了宝贵的数据。3：生命和半衰期碳-14的衰变速度永远慢于它的同位素，使得研究人员可以通过植物或者生物中所含有的碳-14元素追溯到六万年。碳-14的原子核内有6个质子与8个中子，在使用美洲豹超级计算机之前，研究人员只能考虑两个核子相互作用，因为需要描述不同的组合数量非常大，这是一个内存密集型的计算。通过美洲豹超级计算机研究人员能够更深入的了解碳-14的半衰期为何如此之长。4：从光合作用到新燃料该项目是由橡树岭国家实验室的美洲豹超级计算机与美国田纳西州大学的挪威海怪超级计算机共同参与的。替代能源是全球的一个热点话题也是全人类必须要关注的话题，纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的人类最宝贵的天然可再生资源。找到如何合理分解释放葡萄糖就有希望利用植物作为一种新燃料。5：聚变加速很少有代码要求比现有聚变加速粒子更快的I/O和更大的规模。例如，GTC和XGC-1是运行在NCCS Jaguar Cray XT5超级计算机12000多个内核上的。面对最大数据集的运行，超级计算机的速度总是需要不断提高的。6：模仿火山爆发应激气候火山喷发，重力气溶胶粒子通常会在2至3年之内回落。相反，人为排放的有害物质长期持续，并可能改变未来的气候。有几种类型的气体，包括二氧化碳，是火山爆发时喷出，二氧化硫的排放和硫酸盐气溶胶的产生尤其重要。如果通过超级计算机可以模拟运行该大气环境模型对于火山喷发的灰尘反应，便可以预测出该大气环境对于人为长期排放的反应。IBM走鹃IBM走鹃超级计算机了解了美洲豹超级计算机之后，我们一同走进同样隶属于美国能源部的洛斯阿拉莫斯国家实验室。该实验室以研制了世界上第一颗原子弹而闻名于世。这里部署了另一台赫赫有名的超级计算机，IBM走鹃超级计算机(BladeCenterQS22/LS21 Cluster,PowerXCell 8i 3.2 Ghz/Opteron DC 1.8GHz，内和数122400个，实测运算速度1042000 GFLOPS，理论峰值运算速度1375776 GFLOPS)。走鹃与洛斯阿拉莫斯洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos NationalLaboratory,LANL)由加利福尼亚大学运作，位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯。该实验室是世界上最大的多学科研究机构之一。它是新墨西哥州北部最大的研究机构和雇员最多的机构，有大约10,400名加利福尼亚大学雇员，以及大约2,800名合同雇员。洛斯阿拉莫斯国家实验室实验室约三分之一的技术人员是物理学专家、四分之一是工程师、六分之一是化学和材料专家，其余的工作在数学和计算科学、生物科学、地质科学等其他学科。也有外部的专家和学生来实验室做访问研究工作。实验室联合大学和工业界进行能源方面的基础和应用研究。实验室年度预算约为22亿美元。洛斯阿拉莫斯与第一颗原子弹世界上第一颗原子弹-洛斯阿拉莫斯LOS ALAMOS一弹成名熟悉又陌生的蘑菇云当年的LOS ALAMOS一定领世界震惊，哪现在走鹃超级计算机在实验室里又在做些什么呢?走鹃已公布的7大科学应用(1-4)图解：走鹃已公布的科学应用1-4 1：纳米技术现在我们可以开始了解材料的行为一直到纳米尺度，在那里，即使是单个原子的运动有时也可以改变机械或电气性能。我们模拟金属纳米线拉伸过程。使用走鹃超级计算机，可以减缓模拟，看看到底是什么，在拉伸的时候，多次发生变化。比以前在更可能的情况下观察原子间的堆叠错误(用红色突出显示)网络的形成。2：核聚变、激光技术该项目是由洛斯阿拉莫斯国家实验室的走鹃超级计算机与劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同参与的。美国计划在2010年秋季由劳伦斯利弗莫尔国家实验室实施核聚变，激光技术的实验。该项目是人类历史上最重要的激光技术，在实验室中取得核聚变能源。规模动力学模拟在三维激光等离子体相互作用的激光散斑。在走鹃超级计算机的协助下，可以实现前所未有的规模，速度和保真度。(值得一提的是现运行速度世界排名第8的Blue GeneL超级计算机就隶属于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，我们也将于下次给大家带来相关介绍)3：磁重联技术方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结现象。在此过程中，磁能可转化为其他能量。涉及到各种形式的等离子体的磁场能量快速转换动能。通过走鹃超级计算机，使这些类型的动态变化都在方便的观测形态下，从而了解磁重联的过程。4：艾滋病毒这是一个彩色树组序列的艾滋病毒，收集后找到传染艾滋病毒的原因。基本的计算问题，是要这个序列数据(这里的10442?3873核苷酸字符串)，找到该病毒如何随时间演变模型中的所有序列。当树上的节点附近生成另一个节点，这意味着有一个病毒是另一种病毒类似。走鹃超级计算机的进化模式，找到了一个病人的序列很少与另一位病人的序列重叠。其中一个重要目标是要找出可能存在疫苗的目标地区。图解：走鹃已公布的7大科学应用(5-7)图解：走鹃已公布的科学应用5-7 5：暗物质暗物质和暗能量是宇宙的主要组成部分。宇宙的基本构成是由：23%的暗物质(其中很大一部分是所谓的光环在局部的团块)