中外超算高峰论坛详解“太湖之光”戈登贝尔奖入围应用

日前在德国法兰克福举行的ISC16国际超算大会上，来自中国的“神威·太湖之光”荣登世界最快超级计算机桂冠，同期举行的第13届中外超算高峰论坛（HPC Connection Workshop）上，来自国家超级计算无锡中心、中国科学院软件研究所、中国科学院计算机网络信息中心的专家在论坛上详细介绍了“神威·太湖之光”超算及“全隐式大气动力模拟算法”、 “钛合金微结构演化相场模拟”等入围戈登贝尔奖的应用，吸引了来自美国橡树岭国家实验室、保加利亚超算中心、捷克超算中心、南非超算中心、超算TOP500机构等众多权威超算专家参加。

第13届中外超算论坛

中外超算高峰论坛由亚洲超算协会和浪潮集团联合举办，每年定期举办三次，分别在德国ISC超算大会、美国SC超算大会和ASC世界超算竞赛期间召开，至今已成功举办13届。该论坛的宗旨在于探讨超算在前沿科学与工程领域的应用创新和发展趋势，推动全球超算的交流与合作。

无锡超算中心：全球首套“100P”超算太湖之光

顶着全球最快超级计算机光环首次亮相中外超算高峰论坛的国家超级计算无锡中心，无疑是外界关注的焦点。在最新一期的超算Top500榜单中，国家超级计算无锡中心部署的“神威·太湖之光”，其峰值性能达到12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次/秒，双双问鼎世界第一。

“神威·太湖之光”超级计算机

光看以上的数字可能你没什么感觉，那么我们引入国家超级计算无锡中心主任杨广文教授的一个形象比喻：“神威·太湖之光”1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”的计算力相当于200多万台普通电脑。而从榜单来看，“神威·太湖之光”的运算速度接近“天河二号”的3倍，美国“泰坦”的5倍。

在第13届中外超算高峰论坛上，国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍了“神威·太湖之光”的目前应用情况。未来，“神威·太湖之光”将在4个方向发挥作用：首先是全球高分辨率模拟，为气候变化研究提供量化研究的基础；其次是先进制造，强大的计算机将助力“中国制造”转向“中国创造”；第三个方向是生命科学，为研发新药和探索生命奥秘提供支撑；第四个方向是大数据分析。

他还介绍到，国家超级计算无锡中心与清华大学及北京师范大学开展合作，在“神威·太湖之光”上进行了CAM全球大气模式的重构与优化，以及全球超高分辨率大气模式实验框架。这两大应用均针对目前世界各国科研机构均普遍关注的全球变化研究。其中大气模式实验框架已初步实现了3公里精度，仅次于世界最高的日本NICAM 870米的分辨率。

值得关注的是，运行在“神威·太湖之光”的这两套气候模式均实现了百万内核的扩展，其中CAM最高扩展至24000主核，内核总数达到156万，模拟速度达到每天2.81模拟年。而全球超高分辨率大气模式实验框架采用松耦合方式，极大的提升了应用的扩展性，最终扩展至8万主核，共520万内核。

二大“戈登`贝尔奖”提名应用

在本届论坛上，来自中科院的两位专家现场分享了获“戈登·贝尔奖”提名的两项中国HPC应用，分别是“全隐式大气动力模拟”和“钛合金微结构演化相场模拟”。

中国科学院软件研究所并行软件与计算科学实验室副主任杨超介绍说，此次获“戈登·贝尔奖”提名的全隐式大气动力模拟应用，由中国科学院软件研究所与清华大学和北京师范大学合作完成。该工作面向气候气象领域研究，提出一套适应于异构众核环境的全隐式求解器算法，一方面可以通过有效提高模式的时间步长带来长时间数值模拟计算效率的提升，另一方面也能够充分挖掘像“神威·太湖之光”这类世界顶级超算系统的强大计算能力。目前，国际上类似的研究工作，或着重于开展显格式计算，或仅限于在同构CPU环境下开展隐式求解器研究，对异构众核环境的开发和利用极少涉足。此外，杨超研究员还介绍了中国科学院软件研究所为“神威·太湖之光”自主研制的国产高性能扩展数学库软件xMath的应用情况和HPCG基准测试程序在“神威·太湖之光”上的优化情况。

中国科学院计算机网络信息中心高性能计算技术与发展部计算流体和微结构演化应用实验室主任张鉴分享了钛合金微结构演化相场模拟的最新进展。

在材料科学的研究中，许多重要工程材料的设计都需要通过控制其相变和组织演变过程来实现。比如说，通过固态形核析出反应提高镍基高温合金和铝基时效强化合金的机械性能，通过控制铁电晶体的相变达到其介电和机电效应的耦合，以及通过马氏体相变得到形状记忆合金的记忆效应等。而采用计算机辅助虚拟分析技术代替耗时耗材的实验，可以大幅提高研发效率，缩短研发周期，加速新材料研发进程。

随着HPC在材料科学研究中的应用日益广泛，相场方法已成为模拟材料微观组织演变的主要方法。在“神威·太湖之光”上的运行的合金微结构粗化过程相场模拟，规模比之前提高近百倍，实现了超过900万核的扩展性能，相场模拟的实际性能可达到峰值的40%，远高于普通软件约5%的水平。据了解，使用“神威·太湖之光”可在数小时内完成一次数千亿体系的合金微结构粗化过程的高精度模拟。

张鉴认为，通过这样大体系、长时间的粗化过程高精度模拟，可以全面并且精确的揭示微观组织演化的过程、支持演化机理的研究。目前，受计算方法和计算平台的限制, 国际上同类模拟大多数限于2维模拟, 少数的3维模拟限于模拟的体系规模，难以全面揭示粗化过程中微观组织尺寸、形貌等特征的演化过程。

除了以上报告之外，来自国家863、美国爱荷华州立大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院、法国能源部、德国马克斯-普朗克研究所、中国科学院过程研究所、德国莱布尼茨超算中心、美国乔治华盛顿大学等多位专家也分享了相关精彩报告，以上报告已经上传至论坛官网：http://www.asc-events.org/HPCCworkshopISC16.php。

虽然超算发展依然面临百亿亿次、百万核甚至千万核超大规模扩展等“世界性难题”，但过去的24年来，科学家和工程师们凭借智慧将TOP500超级计算机的总体计算力提升了近36万倍，单一超算系统的计算力提升了200多万倍，有理由相信现在面临的难题会在不远的未来寻找到完美的解决方法。而中外超算高峰论坛所倡导的广泛的国际交流和合作，将有力的推动这一进程。