神威太湖之光蟬聯超算冠軍 它到底能跑哪些應用？

出品：科普中國

製作：鐵流

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

不久前，新一期全球超級計算機500強（TOP500）榜單在美國鹽湖城公佈，不僅中國神威太湖之光蟬聯冠軍，在TOP500上榜總數上中國也與美國持平。緊接着，依託神威太湖之光的“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”榮獲戈登貝爾獎。用事實證明了神威太湖之光不僅性能高，而且應用水平也很高。那麼，除了高端大氣上檔次的榮獲戈登貝爾獎的應用，神威太湖之光還有哪些具體應用呢？

應用一：基於國產平台的國產地球系統模式

公共地球系統模式是一個MPMD的大型並行系統，經歷了30年的建立與發展，核心代碼量超過150萬行，是目前全球使用最廣泛的地球模式，也是高性能計算的傳統應用。CESM計算模式多樣，各個部分並不相同，對計算機器以及並行算法都有不同要求，在移植、加速以及優化算法等方面都具有較高的挑戰。清華大學地學中心、清華大學計算機係為了將代碼量巨大的CAM模式擴展到神威系統的百萬計算核上，對公共大氣模式CAM的代碼重構與性能優化設計了與神威系統計算、存儲模型相匹配的計算代碼，有效地提高了計算性能。與純主核版本相比，同時使用主、從核的優化程序能取得22倍的性能提升。通過使用24,000個主核以及1,536,000個從核，全球範圍25公里分辨率的模擬速度可以達到2.81模式年/天。

應用二：航天飛行器統一算法數值模擬

國家計算流體力學實驗室基於“神威·太湖之光”超級計算機，對“天宮一號”飛行器兩艙簡化外形（長度10餘米、橫截面直徑近3.5米）隕落飛行（H=65km、62km、Ma=13）繞流狀態大規模並行模擬，使用16,384個處理器在20天內便完成常規需要12個月的計算任務，計算結果與風洞實驗結果吻合較好，為“天宮一號”飛行試驗提供重要數據支持。

應用三：納米線熱導率的大規模分子動力學模擬

低維納米材料由於具有許多獨特的光、熱、電、磁等性質，已成為當前材料領域研究的重要方向。當前的實驗測量技術在處理納米尺度傳熱時遇到許多困難，實驗測量結果會存在較大的偏差。分子動力學(NAMD)模擬方法能夠細緻刻畫院子振動週期內的微觀過程，已經成為研究低維納米結構導熱性質的主要手段。非平衡分子動力學模擬（NEMD）由於類似於直接的實驗測量，並且模擬收斂快，計算效率高，能夠處理像納米線、多晶這樣的不均勻結構，因此得到廣泛應用。

中科院過程所利用“神威·太湖之光”計算機系統的大規模並行計算能力，模擬體系原子數目達到了了20億量級，單一方向空間特徵尺度達到500微米以上，從而可以考察低維納米材料力學和熱學性質的一些臨界尺寸效應。計算取得了良好的性能，有效擴展到122,880個主核，共計798萬個計算核心，並達到了70%的並行效率。

應用四：島礁建設浮式平台的移植與優化

目前，島礁建設浮式平台具有土石方及各類建築材料卸船、平台上重載汽車裝運、經棧橋輸送至礁盤、機械貨物堆放與起吊、電力與燃料供應、施工人員食宿、淡水製造、污水處理等功能，可拖帶至不同待建島礁重複使用，特別是在西沙羣島和中、南沙羣島有關島礁將來建設中，對輸送物資上島，船載土石料高效卸運、礁盤上永久基地高效施工有着重要意義。

在科技部973項目“海洋超大型浮體複雜環境響應與結構安全性”和工信部高技術船舶科研項目“島礁中型（總長 300 米級）浮式結構物關鍵技術研究”支持下，中國船舶重工集團公司第七〇二研究所通過基於吳有生院士創立的三維水彈性理論而發展的可以考慮航速、頻域二階非線性、計及海底地形影響等因素的可視化成熟軟件THAFTS，首次採用了數百萬處理器核對近島礁浮式平台和海洋超大型浮體三維水彈性問題進行了大規模並行計算。計算結果準確揭示了在近島礁海底變化和波浪非均勻性影響下浮式平台的運動和載荷響應特性，所得數據可靠，並與試驗結果相互驗證，比較準確地評估了浮式平台在近島礁複雜環境條件下的結構應力水平，具有重要的理論價值和工程實際意義。將來在祖國的海疆上見到這些浮式平台在工作，也要給神威太湖之光計一份功勞。

除上述介紹的應用和一些不方便披露的特殊應用之外，還有基於受體庫的藥物結合能力研究與生物大分子的分子動力學模擬、真實感動漫渲染系統研究與應用等具體應用。在最近曝光率非常高的深度學習方面，無錫超算中心和北郵合作，實現在SW26010芯片上，對佔卷積神經網絡90%計算時間的卷積層操作進行深度優化，相比今年八月份的工作有26%的性能提高，在SW26010單核組上還實現了智能圍棋神經網絡的正向傳播過程……從上述例子可以看出，神威太湖之光不僅擁有可以用來爭奪戈登貝爾獎的應用，還有科學研究、工程實踐和商業用途的超算渲染方面發揮着巨大作用。

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