2015年以來，廣州超算中心共開展20多期培訓(xùn)，培訓(xùn)學(xué)員近1000人。

　　商用客機全機全參數(shù)氣動優(yōu)化設(shè)計。

　　(左)零質(zhì)量中微子反演示意圖。(右)大質(zhì)量中微子反演示意圖。

　　廣州超算中心位于中山大學(xué)大學(xué)城校區(qū)，占地面積67000平方米。

最新一期的全球超級計算機500強榜單中，“天河二號”實現(xiàn)六連冠，浮點運算速度達到每秒33 .86千萬億次，是第二名美國“泰坦”的兩倍多。全球超算速度排名第一的“天河二號”到底有什么用，與普通人有沒關(guān)系？南都記者近日走進“天河二號”所在的廣州超算中心，揭秘這個“最強大腦”的超級應(yīng)用：天氣預(yù)報超算程序已經(jīng)優(yōu)化，在20分鐘內(nèi)實現(xiàn)對3公里精度的預(yù)報，未來還有望“搞掂龍卷風預(yù)報”；剛下線的國產(chǎn)大飛機，2年的氣動優(yōu)化實驗,“天河二號”僅用了6天時間就完成了；經(jīng)濟仿真虛擬實驗室，不僅僅是模擬炒股，更是根據(jù)經(jīng)濟大數(shù)據(jù)等，模擬整個經(jīng)濟社會的運行；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，“天河二號”的終極目標，是建立孿生數(shù)字人。

速度有多快？

天河二號運算一小時

13億人同用計算器算千年

據(jù)測算，天河二號的峰值計算速度達到每秒5.49億億次，而持續(xù)計算時的實測速度每秒可達3 .39億億次。這個速度到底有多快？國家超級計算廣州中心主任袁學(xué)鋒如此形容——— 假設(shè)每人每秒鐘進行一次運算，天河二號運算一小時，相當于13億人同時用計算器算上1000年。而其存儲容量相當于，存儲每冊10萬字的圖書600億冊。

為什么如此之快？袁學(xué)鋒介紹，天河二號一期系統(tǒng)共有16000個運算結(jié)點，每結(jié)點配備兩顆X eonE512核心的中央處理器、三個Xeon Phi57核心的協(xié)處理器(運算加速卡)。累計32000顆XeonE5主處理器和48000個X eonPhi協(xié)處理器，共312萬個計算核心。

天河二號超算系統(tǒng)由廣東省、廣州市國防科技大學(xué)、中山大學(xué)共同建設(shè)，總投資25億元，是廣東最大的科技基礎(chǔ)設(shè)施。2015年9月，廣州市正式將廣州超算中心移交中山大學(xué)進行管理。“別人能算的，我們比他算得快，別人不能算的，我們也能算。”袁學(xué)鋒說，天河二號集高性能計算，大數(shù)據(jù)分析和云計算于一體，能高效處理計算密集型問題，也能滿足對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行實時分析的需求。“這是普通的云中心做不到的。”

哪些人在用？

634家用戶目前在用

每周使用量北大通常排第一

袁學(xué)鋒特意提醒，天河二號還處在建設(shè)期。這意味著，目前天河二號釋放給社會的資源是有限的。不過，即便尚在建設(shè)期，天河二號的產(chǎn)出已足夠耀眼。2014年4月試運營以來，截至上周，天河二號已服務(wù)的用戶家(單位)數(shù)達634家，包括高等院校、科研單位和企事業(yè)單位等。

“而整個天津超算從2009年至今，總共服務(wù)的單位數(shù)為600家左右。”袁學(xué)鋒說，完全靠市場化拓展，天河二號在建設(shè)期的用戶量已超過天津超算。“去年11月天河二號服務(wù)用戶數(shù)270家，到今天一年時間翻了一倍多，年底還會有明顯增長”。他還預(yù)測，不久服務(wù)用戶家數(shù)將翻倍過千。“為推廣使用天河二號，由廣東省與自然科學(xué)基金共同推動的超級計算重大專項很快要啟動，這個項目將資助604家簽約單位，其中只有23%用過天河二號。”

袁學(xué)鋒拿用戶北京大學(xué)打比方，北大很多課題組前來購買大量資源，在超算上算題。“每周看各單位的使用量，北大通常高居榜首”。目前，超算85%的用戶為遠程登錄，整個流程均在互聯(lián)網(wǎng)上完成計算資源申請和使用。袁學(xué)鋒透露，當前天河二號每周運營成本約100萬，今年已連續(xù)兩月“打平”，即實現(xiàn)收支均衡。今年天河二號的銷售額也可觀。他預(yù)計，“明年有望破億，這在國際上全市場化的運營是絕無僅有的。”

超算中心安全嗎？

“彩虹”致大面積停電

“天河二號”也“中招”

今年10月，臺風“彩虹”襲粵，廣州番禺的500千伏廣南變電站失壓，5個220千伏變電站失壓，導(dǎo)致海珠、番禺大面積停電，天河二號也“中招”了。“當時我在家里，一看情況不妙，趕緊跑過來了。”袁學(xué)鋒說，當時整個大學(xué)城全部停電長達數(shù)小時。由于電壓不穩(wěn)，天河二號值班人員果斷命令關(guān)機。“預(yù)案很到位，機器、數(shù)據(jù)都保護完好，基本沒造成大損失。”據(jù)他介紹，電壓不穩(wěn)的最壞結(jié)果是將機器打壞。

天河二號負荷需求量大、供電可靠性要求高，共有三條供電線路，臺風中，兩路電源全被“干掉”。另一個由南方電網(wǎng)專門為超算建設(shè)的燃氣發(fā)電站，預(yù)計明年6月啟用，屆時將為天河二號提供30%的電源。關(guān)機一天多，直到電壓穩(wěn)定，天河二號才恢復(fù)開機。袁學(xué)鋒說，“所有的數(shù)據(jù)不能只靠超算中心，或許在幾十甚至上百公里之外，一定要有備份、儲存。”

為了給龐大的數(shù)據(jù)備份，是建設(shè)超算分中心的原因之一。目前全省范圍內(nèi)已有8個超算分中心在進行正式洽談，包括天河、南沙、黃埔、番禺、增城、惠州、中山、韶關(guān)。其中南沙分中心很快將交付啟用，番禺和天河分中心也正在建設(shè)中。“在談的都是認真的，簽了協(xié)議”。袁學(xué)鋒詼諧說。他認為，未來智慧城市的數(shù)據(jù)架構(gòu)應(yīng)當是分布式的，下到街道、小區(qū)、區(qū)、城市、省。多層次分布式的數(shù)據(jù)存儲、互為災(zāi)備才比較安全可靠。“不能把所有雞蛋放進一個籃子，那樣太脆弱了。”

應(yīng)用

天體物理

已模擬137億年演化

很快將觀測宇宙邊界

宇宙是怎么來的，這是一個終極問題。北京師范大學(xué)、加拿大高能研究所和國防科技大學(xué)在天河二號上，對中微子宇宙尺度演化的問題進行了研究。袁學(xué)鋒說，實驗?zāi)M了137億年的宇宙結(jié)構(gòu)演化過程，時間從宇宙大爆炸以后1600年至今。

另外，在天河二號，很快還將去觀測宇宙的邊界，尋找宇宙最早的一束光。袁學(xué)鋒說，天河二號正在爭取進入全球最大平方公里陣列射電天文望遠鏡項目的數(shù)據(jù)中心。“掌握全數(shù)據(jù)，才能掌握探索宇宙奧秘的主動權(quán)。”

他介紹，這一國際大項目持續(xù)到2030年，數(shù)據(jù)處理量巨大，在中國天河二號僅能滿足到2020年，之后希望能有天河三號來服務(wù)于它。下個月，超算中心將舉行SK A項目頂尖專家研討會。SK A是世界最大的射電望遠鏡項目，建成后將有助于回答宇宙深層次問題，如大爆炸之后恒星和星系的起源，宇宙中的暗物質(zhì)究竟怎樣發(fā)揮作用以及尋找地球以外的生命等。

大飛機

2年氣動優(yōu)化實驗

6天時間就能搞定

之前剛下線第一代國產(chǎn)大飛機C919的全機空氣動力學(xué)驗證就在天河二號上完成。全機全參數(shù)氣動優(yōu)化設(shè)計是大型民機氣動設(shè)計的核心關(guān)鍵技術(shù)。“如果氣動減少阻力0.1%的阻力，對商用飛機的省油將很有益處，這是很重要的一個指標”。

袁學(xué)鋒透露，第二代大飛機———寬體客機的氣動優(yōu)化也在天河二號的模擬風洞完成。“做了5萬多種不同形狀的機型，挑選一個優(yōu)化機型，通過局部優(yōu)化，將氣動阻力降到最低，最后再確定機型”。

以往，整個氣動優(yōu)化過程需要兩年時間驗證，但在天河二號，利用約2.4萬CPU核，6天即完成實驗。袁學(xué)鋒說，超算的高性能計算，節(jié)省時間，節(jié)約成本，壓縮研制周期，大大提高科研的競爭實力。

氣象

能在20分鐘內(nèi)

實現(xiàn)3公里精度的預(yù)報

天文、地球科學(xué)與環(huán)境工程計算應(yīng)用服務(wù)平臺，是天河二號六大平臺之一。平臺已部屬了FVCOM、CESM、WRF和paraFE M等開源軟件，已支撐諸如全球大氣模擬、全球海浪模擬、中國海南與東南季風相互影響模擬等多個計算項目。

大氣運動是該平臺最常見的計算之一，利用衛(wèi)星、飛機、地面觀測站等多種渠道收集大氣的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)，借助超算及相應(yīng)軟件準確地定量預(yù)報大氣的未來狀態(tài)。袁學(xué)鋒說，現(xiàn)在天氣預(yù)報的超算程序已經(jīng)優(yōu)化，能在20分鐘內(nèi)實現(xiàn)對3公里精度的天氣預(yù)報，而國內(nèi)通常的天氣預(yù)報一般在40公里外。

目前超算中心和廣州市氣象局正推進合作，準備將超算的預(yù)報推向業(yè)務(wù)系統(tǒng)。“前兩周前，新任局長剛來談完。這意味著未來廣州市的天氣預(yù)報就在我這干了。”他說，氣象局或?qū)㈤L期駐扎超算中心。

2013年，廣東省氣象臺臺長馮業(yè)榮曾透露，天河二號或能為更精確的臺風預(yù)報做出貢獻。袁學(xué)鋒告訴記者，目前中心暫未預(yù)報過臺風。不過介于10月臺風“彩虹”帶來的龍卷風，目前在氣象局未能監(jiān)測到。天河二號將重點聚焦局部預(yù)報，比如直徑在幾公里內(nèi)的龍卷風。“希望在超算上，通過完成更高精度的模擬，搞掂龍卷風預(yù)報”。

經(jīng)濟

仿真虛擬實驗室

能提前預(yù)警經(jīng)濟震蕩

經(jīng)濟仿真虛擬實驗室，由廣州市長程軟件有限公司發(fā)起。董事長吳杰說，這是一個基于機理建模的模型，可能是第一個把亞當·斯密“看不見的手”仿真出來的實驗室。“相當于大腦中樞系統(tǒng)，處理全球經(jīng)濟的海量數(shù)據(jù)。”遠不僅是模擬炒股，它要根據(jù)金融交易大數(shù)據(jù)、工業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)、經(jīng)濟大數(shù)據(jù)等，模擬整個經(jīng)濟社會的運行。

袁學(xué)鋒則把它比為打仗時用的“沙盤推演”。天河二號能滿足逼真模擬經(jīng)濟動態(tài)過程和海量經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析所需的計算資源，實現(xiàn)及時精準預(yù)測，提高決策和風險管理水平。吳杰介紹，未來經(jīng)濟仿真虛擬實驗室能實現(xiàn)國民經(jīng)濟歷史過程的仿真，能進行政策推演，尋找最優(yōu)方案，幫助政府提供政策建議，避免重大決策失誤。此外它還能對整個國民經(jīng)濟同步控制。“計算機虛擬實時研究對策，指導(dǎo)國民經(jīng)濟運行。”通過虛擬運行進行經(jīng)濟預(yù)警。“若虛擬仿真顯示，未來會出現(xiàn)經(jīng)濟震蕩，提前幾天或幾月知道都有可能。”

吳杰說，該模型以往的實驗結(jié)果沒有超過5%的誤差。目前該模型已在天河二號上聯(lián)調(diào)，預(yù)計半年內(nèi)將啟用。“可讓上萬個客戶同時登錄網(wǎng)站，調(diào)用模型進行計算。”打比方，金融投資者可在超算中心租用一個模擬器，把問題和參數(shù)輸入，就可直觀看到這個行業(yè)的發(fā)展趨勢，或者為你指出哪只股票更合適投資。

醫(yī)療

將建孿生數(shù)字人

實施精準醫(yī)療國家戰(zhàn)略

今年，天河二號在一天之內(nèi)，完成4200萬現(xiàn)有藥物針對埃博拉新型病毒(蛋白)的有效評價與篩選。據(jù)相關(guān)報道，這相當于把包括現(xiàn)有藥物、天然產(chǎn)物和人工合成有機化合物在內(nèi)的地球上所有可用于藥物研發(fā)的化合物都計算篩選一遍。這為人類應(yīng)對暴發(fā)性惡性傳染病的應(yīng)急藥物快速研發(fā)，提供了強大的計算模擬保障。

袁學(xué)鋒介紹，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，超算的終極目標是，建立孿生數(shù)字人。通過國際合作，孿生數(shù)字人的平臺正在搭建中，涉及到細胞、組織、人體模型、中醫(yī)針灸等諸多方面。全世界暫沒有具有生命信息的孿生數(shù)字人誕生。袁學(xué)鋒說，廣州研究孿生數(shù)字人的優(yōu)勢在于，鐘世鎮(zhèn)教授從2002年開始獲得6個“虛擬中國人”的數(shù)據(jù)已數(shù)字化，目前有整套數(shù)據(jù)作為孿生數(shù)字人基礎(chǔ)。

“很難實現(xiàn)，涉及的數(shù)據(jù)量巨大，涉及領(lǐng)域眾多，很多人體的生物學(xué)奧妙連模型都沒有，要整合、分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)，查找規(guī)律，然后建模。”袁學(xué)鋒說，平臺已重點與中山火炬開發(fā)區(qū)醫(yī)院、中山大學(xué)孫逸仙醫(yī)院達成密切合作，幫助災(zāi)備醫(yī)院各種醫(yī)療數(shù)據(jù)，脫敏(刪除個人信息)后進入超算大數(shù)據(jù)平臺。未來將利用虛擬數(shù)字人進行試驗，診斷分析，實施精準醫(yī)療國家戰(zhàn)略。

相關(guān)

用國產(chǎn)芯片升級明年速度將再翻一倍

按照計劃，天河二號的二期建設(shè)即系統(tǒng)升級，于2015年底完成。不過，由于美國對相關(guān)產(chǎn)品的限購禁運，原定升級計劃被推遲。“我們將利用國產(chǎn)芯片進行升級。”袁學(xué)鋒說，目前升級方案已確定，研制方在緊張地對國產(chǎn)芯片進行測試和規(guī)?；囉茫ㄜ浻布ヅ?，有大量的工作。“升級計劃預(yù)計2016年底前完成”。升級后，運算速度將再次翻倍。峰值計算速度將由現(xiàn)在的每秒5 .49億億次提高到每秒10億億次以上，持續(xù)計算速度達到每秒6億億次。

算賬

如果個人在超算上租用一個PC性能的資源，每天僅需4元。“用IPAD就能登錄天河二號，在天河二號上的軟件、計算環(huán)境配置是你自己的計算機完全不可比擬的”。

如果在天河二號租用一個機柜的性能，總計算能力接近400萬億次，一年的費用為200萬。“如果你要建立類似計算能力的機構(gòu)，光建設(shè)費不下2000萬，不包括運營成本”。

超算上的能效比很高，每瓦特19億次雙精度浮點運算，即消耗每瓦特電量產(chǎn)生19億次的計算能力。