高性能計(jì)算與應(yīng)用

袁國(guó)興

假如沒(méi)有計(jì)算機(jī)，很多事情就沒(méi)有辦法開(kāi)展。高性能計(jì)算可以做許多特別困難的事情，提升研究能力，縮短研究進(jìn)程，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。

目前科研的一般做法是：首先用計(jì)算來(lái)模擬，然后才做必要的實(shí)驗(yàn)

關(guān)于高性能計(jì)算叫法很多，比如數(shù)值計(jì)算、數(shù)值模擬，它在不同的領(lǐng)域也有不同的叫法，例如在核武器領(lǐng)域叫虛擬試驗(yàn)，在工程領(lǐng)域叫仿真，實(shí)際上都是一回事。2005年，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)給布什總統(tǒng)的報(bào)告《計(jì)算科學(xué)：確保美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力》中對(duì)計(jì)算科學(xué)有這樣的提法：計(jì)算科學(xué)是利用先進(jìn)的計(jì)算能力去理解和解決復(fù)雜問(wèn)題。

高性能計(jì)算可以解決理論或?qū)嶒?yàn)難以解決的問(wèn)題，特別是一些沒(méi)有辦法解決的科學(xué)問(wèn)題。這里的“難”包括大型、復(fù)雜的工程，也包括微細(xì)、很難做的實(shí)驗(yàn)，甚至是一些不可重復(fù)和危險(xiǎn)的事情。目前科研的一般做法是：首先用計(jì)算來(lái)模擬，然后才做必要的實(shí)驗(yàn)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，高性能計(jì)算可以做許多特別困難的事情，提升研究能力，縮短研究進(jìn)程，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。

打仗既要靠人也要靠武器，搞科研同樣也需要武器，科研的武器就是計(jì)算機(jī)

2011年日本發(fā)生大地震，海嘯摧毀核電站事故發(fā)生之后，安全問(wèn)題引起人們前所未有的關(guān)注。從高性能計(jì)算的角度來(lái)看，完全可以在事故發(fā)生前，利用數(shù)值模擬方法評(píng)估該核電站的運(yùn)行是否正常，哪些地方可能會(huì)出問(wèn)題。這樣，通過(guò)預(yù)報(bào)可以提前把問(wèn)題消滅掉，避免后續(xù)災(zāi)害的發(fā)生。

美國(guó)1945年7月16日爆炸第一顆原子彈，而后開(kāi)展氫彈研究，直到1952年11月1日爆炸第一顆氫彈。從原子彈到氫彈，研發(fā)時(shí)間歷時(shí)7年3個(gè)月，期間一共做了32次核爆試驗(yàn)。每一次試驗(yàn)的花費(fèi)以億美元計(jì)算，氫彈的研究成本可想而知。

中國(guó)的情況怎么樣呢？中國(guó)1964年10月16日成功爆炸了第一顆原子彈，1967年6月17日成功爆炸了第一顆氫彈，從原子彈到氫彈，僅僅花了2年8個(gè)月的時(shí)間，只做了7次試驗(yàn)。中國(guó)人用的時(shí)間不足美國(guó)人的一半，其中重要原因之一是使用了計(jì)算機(jī)。打仗既要靠人也要靠武器，搞科研同樣也需要武器，科研的武器就是計(jì)算機(jī)。

1952年誕生了世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，那時(shí)候美國(guó)氫彈研究已近完成。但是我國(guó)的氫彈研究直接受益于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力。在氫彈的研發(fā)過(guò)程中前后有7臺(tái)計(jì)算機(jī)投入使用，大大提高了計(jì)算速度，減少了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，有效提高了研發(fā)進(jìn)度，并大幅度降低了研究成本。如此，計(jì)算機(jī)對(duì)于科學(xué)研究的貢獻(xiàn)可見(jiàn)一斑。

高性能計(jì)算已經(jīng)與傳統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)共同成為“21世紀(jì)科學(xué)研究的三大支柱”

高性能計(jì)算始于1911年，當(dāng)時(shí)英國(guó)氣象學(xué)家為了研究氣象預(yù)報(bào)提出使用計(jì)算的方法。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，高性能計(jì)算已經(jīng)與傳統(tǒng)的理論研究、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)共同成為“21世紀(jì)科學(xué)研究的三大支柱”。總體來(lái)說(shuō)，高性能計(jì)算對(duì)提升國(guó)家自主創(chuàng)新能力、增強(qiáng)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力、保障國(guó)家安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展、豐富精神文化生活、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

如何實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，需要兩方面的支撐，一個(gè)是高性能計(jì)算機(jī)，俗稱硬件，另外一個(gè)是高性能預(yù)言性軟件。我國(guó)目前在硬件研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)取得了好的成績(jī)，例如實(shí)現(xiàn)了芯片的自主研發(fā)，搭建了“神威·太湖之光”，我國(guó)研制使用的計(jì)算機(jī)已連續(xù)8次蟬聯(lián)全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜第1名。

雖然從大的角度來(lái)說(shuō)這些設(shè)備都可以被稱為高性能計(jì)算系統(tǒng)，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，針對(duì)不同的計(jì)算需求，國(guó)際上對(duì)高性能計(jì)算系統(tǒng)有不同的分類。這里簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子說(shuō)明一下。

定制能力型（Capability） MPP超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

這一類計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榧{米技術(shù)、燃燒模擬、核聚變、氣候模擬、空間物理等。它們的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)往返交換多、計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)具有精度高、分辨率高的特點(diǎn)，因此需要通過(guò)高主頻CPU和定制或特制網(wǎng)絡(luò)滿足計(jì)算要求。這種計(jì)算的任務(wù)要求計(jì)算機(jī)具有非常高的穩(wěn)定性、可靠性、易用性。這種計(jì)算機(jī)是用來(lái)解決科研、國(guó)家建設(shè)、國(guó)防安全中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。設(shè)備的特點(diǎn)是：建造困難、研制周期長(zhǎng)、造價(jià)高；數(shù)量有限，國(guó)家專項(xiàng)投資、研制。為了逐步滿足高端計(jì)算不斷提出的對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的要求，它的研制能驅(qū)動(dòng)計(jì)算技術(shù)的全面提升，也能推動(dòng)普適性計(jì)算機(jī)（如集群）技術(shù)的提高。國(guó)際上一些進(jìn)行重大科學(xué)問(wèn)題研究的科研院所使用這種類型的計(jì)算機(jī)。

容量型（Capacity）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

這一類計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是社會(huì)計(jì)算和信息處理、數(shù)據(jù)處理，如石油、天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)、生物醫(yī)藥、電訊、物流、金融、高端制造，數(shù)字媒體與動(dòng)漫渲染等。這類設(shè)備的特點(diǎn)是所有的構(gòu)件均是商品化的標(biāo)準(zhǔn)器件，如處理器、互聯(lián)網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)、管理軟件等，可以滿足很多人同時(shí)使用。由于采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，因此建造周期相對(duì)較短，建造成本更便宜，與定制能力型計(jì)算機(jī)相比相差數(shù)倍。這種計(jì)算機(jī)由于使用的CPU、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的不同，差異很大。多核處理器和加速部件構(gòu)成的混合異構(gòu)型系統(tǒng)，也是這種類型的計(jì)算機(jī)，公用云計(jì)算中心、數(shù)據(jù)中心，大都安裝這類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

軟件研發(fā)包括：物理建模，數(shù)學(xué)模型的離散，離散模型的程序設(shè)計(jì)

從軟件研發(fā)的流程來(lái)分，可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)，首先是物理建模，然后是數(shù)學(xué)模型的離散，最后是離散模型的程序設(shè)計(jì)。

物理建模的過(guò)程是一個(gè)將現(xiàn)實(shí)的物理問(wèn)題對(duì)應(yīng)為數(shù)學(xué)表達(dá)的過(guò)程，換言之就是用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述實(shí)際的物理問(wèn)題，如問(wèn)題適用的環(huán)境、各個(gè)物理事件之間涉及的空間、時(shí)間次序、彼此之間存在的交叉耦合等。在現(xiàn)實(shí)條件下，是不可能把研究對(duì)象的所有相關(guān)因素都考慮進(jìn)去，這時(shí)就需要根據(jù)情況做出假設(shè)和簡(jiǎn)化，它可以決定模型的成敗，也可以影響模型的復(fù)雜程度。一個(gè)好的假設(shè)或簡(jiǎn)化，可以使問(wèn)題突出，也可以節(jié)約很多計(jì)算量，同時(shí)取得很好的結(jié)果。

數(shù)學(xué)模型的離散過(guò)程說(shuō)起來(lái)比較抽象。整個(gè)過(guò)程中需要將描述物理問(wèn)題的偏微分方程/方程組變成離散模型，即將涉及到的方程從時(shí)間和空間上離散，將初始條件和邊界條件離散，同時(shí)將待解區(qū)域和邊界離散。離散之后微積分問(wèn)題換成了算術(shù)問(wèn)題，即不同條件下加減乘除等的算術(shù)運(yùn)算。算術(shù)問(wèn)題才是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言可以處理的問(wèn)題。

離散模型的程序設(shè)計(jì)直接結(jié)果是將現(xiàn)實(shí)的物理問(wèn)題“搬”到計(jì)算中。通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，用戶只需要輸入一定的初始信息，就可以通過(guò)軟件的計(jì)算預(yù)知結(jié)果，從而體現(xiàn)它的預(yù)言性。當(dāng)然，預(yù)言結(jié)果的準(zhǔn)確性需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而一個(gè)好的程序的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也就可想而知，同樣，軟件的預(yù)言作用或意義也就不言自明。

在軟件的研發(fā)過(guò)程中，如果一個(gè)人同時(shí)具備建模、離散和編程的能力，則可以獨(dú)立完成一個(gè)軟件的研發(fā)工作。但現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)大的軟件往往是很多人共同完成的，分別完成建模、離散和編程的工作，但彼此之間相互合作，每一環(huán)都很重要。大科學(xué)應(yīng)用軟件的研發(fā)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，往往需要十幾年或者更長(zhǎng)時(shí)間，需要從事物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多方面的科研人員的共同努力。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在軟件開(kāi)發(fā)方面的積累較少，加之很多客觀原因，因此軟件研發(fā)能力一直相對(duì)較弱，只能大量使用進(jìn)口商業(yè)軟件和開(kāi)源軟件。進(jìn)口軟件既經(jīng)費(fèi)支出巨大，又受制于外國(guó)，因此我國(guó)的軟件研發(fā)工作，依然任重道遠(yuǎn)。

將硬件的發(fā)展與軟件相結(jié)合，二者相互促進(jìn)是我國(guó)高性能計(jì)算發(fā)展的最佳出路。堅(jiān)持高性能計(jì)算應(yīng)用軟件和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、均衡投資、協(xié)調(diào)發(fā)展，是高性能計(jì)算與應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。但是發(fā)展過(guò)程中一定要注重有計(jì)劃的發(fā)展。高性能集群的使用壽命一般是五年左右，所以一定要進(jìn)行調(diào)研、分析，合理估算應(yīng)用需求。