超算： 比你想的更接地氣

2019年4月，一張類似燃燒中蜂窩煤的照片傳遍全世界——這是人類歷史上首次得見“黑洞”的真容。

實(shí)際上，關(guān)于黑洞的照片早在2017年4月歷經(jīng)十余天已拍攝完畢，此后，便是將來自全球8架射電望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行密集運(yùn)算，其容量達(dá)到每晚2PB（1PB=1000TB=1 000 000GB）。

時(shí)針再往前，1997年和2016年發(fā)生過兩次令人印象深刻的“人機(jī)大戰(zhàn)”，由IBM開發(fā)的“深藍(lán)”和由Google開發(fā)的AlphGo最終分別戰(zhàn)勝人類大腦，獲得象棋、圍棋比賽的勝利。

執(zhí)行這些龐大計(jì)算的主角有同一個(gè)名字——超算。

所謂“超算”，即超級(jí)計(jì)算機(jī)，是指由數(shù)千甚至更多處理器組成、能計(jì)算普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題的計(jì)算機(jī)。普通人可能覺得超算很遙遠(yuǎn)，其實(shí)不然，它已經(jīng)在我們經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的很多領(lǐng)域扮演著重要角色，它不僅能算天算地算人，還能算“命”算成本。

算天：

預(yù)報(bào)天氣更精準(zhǔn)

所謂“一只蝴蝶扇動(dòng)翅膀，可能引發(fā)萬里之外的一場龍卷風(fēng)?！睔庀髮W(xué)的要素千變?nèi)f化，涉及氣象學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等極其復(fù)雜的方程組，而數(shù)據(jù)則是來自天上若干衛(wèi)星、地上無數(shù)雷達(dá)、觀測站的實(shí)時(shí)監(jiān)測，不斷更新。海量數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算的速度和精度要求特別高。

你或許注意到，近些年來的天氣預(yù)報(bào)越來越準(zhǔn)，可以精確到幾點(diǎn)下雨，在哪些“局部地區(qū)”會(huì)有暴雨大風(fēng)等。在氣象學(xué)上，這叫做高分辨率的精細(xì)化預(yù)報(bào)。能做到這一點(diǎn)，超算功不可沒。2011年我國“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)把氣象觀測精度提高到10萬公里，“神威藍(lán)光”超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了1萬公里級(jí)別的精度，而“神威·太湖之光”已經(jīng)能把精度縮到幾公里的范圍。

以廣州天氣預(yù)報(bào)為例，從2017年開始，廣州的氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)開始由“天河二號(hào)”運(yùn)行。以前，華南地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)以3公里×3公里作為一個(gè)網(wǎng)格，現(xiàn)在1公里×1公里是一個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算量提高了27倍。每12分鐘，“天河二號(hào)”就能給出每平方公里內(nèi)6小時(shí)的天氣預(yù)報(bào)。哪怕只隔一座橋，也能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)“東邊日出西邊雨”。

算地：

既能找飛機(jī)，也能抓偷排

尋找MH370，是世界科技角力的戰(zhàn)場。大量的衛(wèi)星雷達(dá)集中對(duì)準(zhǔn)南印度洋，當(dāng)這些高科技眼睛采集到信息后，一個(gè)必經(jīng)的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理，擔(dān)當(dāng)這一重任的即是超算?！爸灰凶銐蚓_的相關(guān)數(shù)據(jù)，超算就能找到失事飛機(jī)。”清華大學(xué)副教授黃小猛說。

除了找飛機(jī)，還有更多接地氣的事情倚仗超算來解決。

建一棟樓對(duì)周邊的環(huán)境到底有什么影響？如何建設(shè)風(fēng)道便于污染物擴(kuò)散？中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國家超算無錫中心進(jìn)行的一項(xiàng)課題，就是深圳市污染物擴(kuò)散的模擬。通過超算模擬，可以根據(jù)目前污染物的情況，計(jì)算出未來一段時(shí)間的大氣污染物濃度和分布，進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。從預(yù)報(bào)結(jié)果還可以計(jì)算出哪些污染源“貢獻(xiàn)”最大，了解污染的來龍去脈，為污染防控提供決策指導(dǎo)。

算人：

人體模擬預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)

模擬血流、模擬心臟、模擬人體任何一個(gè)部分，有了超算，這些都不再是夢想。

之前，美國科學(xué)家利用世界前十的超算，選取一名真人掃描其血管系統(tǒng)，通過3D建模技術(shù)建立動(dòng)脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)了整個(gè)人體的動(dòng)脈系統(tǒng)。任何直徑或?qū)挾仍?毫米以上的動(dòng)脈血管都會(huì)出現(xiàn)在模型中，而且模型的分辨率達(dá)到了9微米。

只要運(yùn)算核夠多、速度夠快，醫(yī)療工作者的診斷和治療水平將大大提升，而科學(xué)的治療手段更容易讓患者接受。

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳榮亮曾利用“神威·太湖之光”對(duì)人體血流進(jìn)行模擬與分析，例如可以及時(shí)有效地判定一個(gè)病人是否會(huì)發(fā)生腦梗塞的風(fēng)險(xiǎn)。

“過去，對(duì)一個(gè)可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進(jìn)行支架手術(shù)，一般都會(huì)通過從大腿動(dòng)脈處放進(jìn)測壓導(dǎo)絲進(jìn)行測量，這種方式既危險(xiǎn)又痛苦。如今，經(jīng)過模擬計(jì)算，只要血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)小于0.8，就要做手術(shù)。”陳榮亮說。

算“命”：

勾勒個(gè)性挖掘需求

你對(duì)自己了解多少？好奇自己究竟是什么樣的人？翻到星座運(yùn)程時(shí)，半信半疑，但還是會(huì)瞄瞄和自己相關(guān)的那一頁？人類最好奇的永遠(yuǎn)是自己本身。超算，在我們認(rèn)識(shí)自己方面也能派上用場。

該功能的正式名稱叫“個(gè)性特征服務(wù)”。美國的IBM超級(jí)計(jì)算機(jī)“沃森”通過對(duì)每個(gè)人2300條最新社交網(wǎng)絡(luò)推文的解讀，應(yīng)用語言學(xué)分析方法歸納總結(jié)你的社交特性，然后將你與其他幾十萬甚至數(shù)百萬用戶進(jìn)行比較，從而勾勒出你與眾不同的個(gè)性。

“沃森”的分析程序如果由“神威·太湖之光”來做，是不是會(huì)更加準(zhǔn)確？“理論上是可以實(shí)現(xiàn)的，畢竟我國的超算已經(jīng)達(dá)到了足夠的分析能力?！遍L期從事超算應(yīng)用的中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心研究人員周純葆說。只要科學(xué)家們的“腦洞”夠大夠好玩，設(shè)計(jì)禮服、設(shè)計(jì)創(chuàng)意食譜、設(shè)計(jì)任何你想得到或者想不到的玩意，超算都有機(jī)會(huì)搶生意。

算成本：

電影制作省時(shí)降成本

超算在影視劇作中將起到什么作用？動(dòng)畫電影制作階段的最后一道工序叫作渲染，是使圖像變成符合設(shè)計(jì)的3D場景的階段，也可以說是讓動(dòng)畫從靜態(tài)圖像變成人們看到的動(dòng)畫的過程。這個(gè)過程因?yàn)樯婕案鞣N場景元素的變化，過程極其復(fù)雜，每一幀圖片的渲染耗時(shí)，根據(jù)模型復(fù)雜程度不同，差異很大，模型越復(fù)雜，渲染時(shí)間越長，因此動(dòng)畫電影的制作更需要強(qiáng)大的計(jì)算處理能力才能實(shí)現(xiàn)。

“以往動(dòng)畫電影中的小河，只不過是一條藍(lán)色的帶子，”清華大學(xué)副教授黃震春介紹，為了把它呈現(xiàn)得更加逼真，動(dòng)畫和電影制作企業(yè)都是用“農(nóng)場”的方式把畫面一幀一幀地精細(xì)化處理。所謂農(nóng)場，就是無數(shù)臺(tái)電腦，由專業(yè)人員分工在每臺(tái)機(jī)器上一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)整。一秒鐘播放24幀畫面，每一幀畫面在后期制作過程中都需要渲染，需要24臺(tái)機(jī)器同時(shí)給這張圖片進(jìn)行渲染，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

依托超算，就可以同時(shí)給成千上萬幀圖片進(jìn)行渲染。以前一部動(dòng)漫電影的后期渲染需要一年，現(xiàn)在可能只需要一個(gè)月就可以完成，可謂省時(shí)省成本。在超算的加持下，動(dòng)畫畫質(zhì)也可以更加精細(xì)，比如加入風(fēng)、光線反射等更多元素。讓以往銀幕上一條會(huì)流淌的“藍(lán)帶子”，變成泛著水花推著小船一路向前的清澈小河。（本刊綜合）※