在上一篇文章中，我們揭開了神威·太湖之光的“中國芯”——申威26010處理器的奧秘。但超級計算機(jī)的價值，遠(yuǎn)不止于此。那么，它究竟能做什么？這個龐然大物是否只是科研院所里的高端設(shè)備？又或者，它是否離我們的日常生活遙不可及？

事實(shí)上，超級計算機(jī)早已悄然融入我們的世界。它預(yù)測天氣、模擬臺風(fēng)路徑，幫助科學(xué)家研發(fā)新藥、篩選抗癌分子，甚至在人工智能訓(xùn)練中扮演幕后助手的角色。從自然科學(xué)到工程制造，從醫(yī)療健康到社會治理，“超算”已成為現(xiàn)代科技社會不可或缺的算力引擎。我們看不見它，卻無時無刻不在受益于它。超級計算機(jī)就像科學(xué)家的“望遠(yuǎn)鏡+加速器+放大鏡”三合一工具，幫助人類在不可實(shí)驗(yàn)、不易觀測、極難預(yù)測的問題上，找出答案。

今天，就讓我們一起看看，這臺“國之重器”如何用算力改變我們的生活。

神威·太湖之光超級計算機(jī)

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

氣候模擬與天氣預(yù)報：看得更遠(yuǎn)，報得更準(zhǔn)

當(dāng)我們用計算機(jī)預(yù)測天氣或模擬氣候時，其實(shí)是去解一組極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程——這些方程描述了大氣中風(fēng)速、溫度、水汽等變量如何隨時間和空間不斷變化。這相當(dāng)于在用計算機(jī)重建整個地球的大氣，不僅數(shù)據(jù)量巨大，而且要求精度極高。為此，科研人員在“神威·太湖之光”超級計算機(jī)上開發(fā)出一套全新的大氣模擬求解器，能夠高效處理這些極為復(fù)雜的計算任務(wù)。

這套求解器采用了先進(jìn)的“異構(gòu)多重網(wǎng)格”算法，就像把地球大氣分成許多小塊，讓每塊都能被快速高效地并行計算。同時，它還通過一種名為“不完全LU分解”的方法，把每個區(qū)域的問題獨(dú)立處理，大幅提升了并發(fā)效率。得益于這些優(yōu)化設(shè)計，“神威·太湖之光”可以實(shí)現(xiàn)公里級分辨率（1公里×1公里的精細(xì)網(wǎng)格尺度）的模擬。這項(xiàng)成果使其榮獲了2016年國際高性能計算領(lǐng)域的最高獎項(xiàng)——“戈登·貝爾獎”。

擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

除了基礎(chǔ)研究，這臺超級計算機(jī)也直接服務(wù)于我們的現(xiàn)實(shí)生活。在國家氣候中心的牽頭下，神威超算平臺承載了一套區(qū)域精細(xì)化氣候預(yù)測系統(tǒng)。它結(jié)合了高性能計算、數(shù)值模擬與平臺工程技術(shù)，能針對我國特定區(qū)域進(jìn)行逐月滾動的氣候預(yù)測。簡單來說，它幫助我們更早、更準(zhǔn)確地知道下個月哪里可能下大雨、哪里可能干旱。

這套系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)多年參與我國汛期氣候預(yù)測的官方會商工作。尤其是在2020年汛期，預(yù)測系統(tǒng)輸出的降水預(yù)測評分高達(dá)81分，在歷史同類預(yù)測中名列前茅，為防災(zāi)減災(zāi)提供了重要依據(jù)。神威·太湖之光正讓氣候預(yù)測從“經(jīng)驗(yàn)判斷”走向“高精度模擬”，讓我們離“看清未來的天氣”更進(jìn)一步。

新藥研發(fā)與疫情建模：抗疫背后的“算力戰(zhàn)”

一款藥物是否優(yōu)秀，并不僅僅取決于它的治療效果，還要看它是否具備較低的毒副作用——這正是現(xiàn)代藥物研發(fā)面臨的難題之一。如今，科學(xué)家已經(jīng)能較為準(zhǔn)確地評估化合物與某些特定靶點(diǎn)的結(jié)合能力（即藥效），但要全面了解一個藥物分子是否會與體內(nèi)其他蛋白質(zhì)發(fā)生意外作用（即毒性），依然是個不小的挑戰(zhàn)。

在毒副作用的研究方面，我們還缺乏真正理性設(shè)計的能力，往往只能依賴昂貴且耗時的動物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。而在后期投入巨大的臨床階段，許多本來被寄予厚望的候選藥物，最終卻因毒副作用問題而被迫終止，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。

究其根源，是因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)一個關(guān)鍵突破：目前的實(shí)驗(yàn)手段難以評估一種藥物是否會與上千種人體受體產(chǎn)生作用。這正是超級計算機(jī)可以大顯身手的地方——其中，分子對接（DOCK）技術(shù)是目前常用的一種計算方法，能夠模擬小分子藥物與蛋白質(zhì)受體的結(jié)合情況，用于快速篩選潛在的藥物靶點(diǎn)。

以“神威·太湖之光”超級計算機(jī)為例，其在分子對接測試中的表現(xiàn)非常出色，平均每個受體在單核上的計算時間僅為0.0075秒，且具備良好的并行處理能力。這類高性能計算平臺正在成為推動藥物研發(fā)提速的重要工具。

SWDOCK對接結(jié)果示例圖

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

人工智能平臺

國家超算無錫中心和清華大學(xué)的科研團(tuán)隊共同開發(fā)了基于“神威?太湖之光”超級計算機(jī)的人工智能平臺，其中包括人工智能專用算法庫的開發(fā)、分布式機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)框架，大數(shù)據(jù)平臺以及應(yīng)用開發(fā)和部署平臺等多個關(guān)鍵的軟件模塊，構(gòu)成了一套完整的人工智能解決方案。

為支持現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用在“神威?太湖之光”上的部署基于申威異構(gòu)眾核處理器(SW26010)，開發(fā)了針對卷積、矩陣乘等深度學(xué)習(xí)核心計算模塊的算法庫 swDNN。利用采用計算任務(wù)劃分、計算通信重疊、寄存器通信等優(yōu)化技術(shù),計算模塊達(dá)到了60%的計算效率。相比于GPU(K40m)上的cuDNN 算法庫，可以取得1.91-9.75倍的雙精度浮點(diǎn)數(shù)性能優(yōu)勢。

超級計算機(jī)或許離我們的生活很遠(yuǎn)，但它的影響無處不在。它幫助我們預(yù)測天氣、研發(fā)新藥、設(shè)計新材料、探索宇宙、訓(xùn)練人工智能，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技社會不可或缺的算力引擎。未來的更多突破，也將從“算出來”開始。

在算力爆發(fā)的時代，節(jié)能與速度一樣值得關(guān)注。看完“神威”超算的多重用途，你是否還會疑惑：如此強(qiáng)大的計算能力，是否會消耗大量能源？下一期，我們將日常用的筆記本電腦與超級計算機(jī)相互對比，一同探索超級計算機(jī)的“綠色革命”，看看這些“算力巨獸”如何實(shí)現(xiàn)高性能與低能耗的完美平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang, Chao, et al. “10M-core scalable fully-implicit solver for nonhydrostatic atmospheric dynamics.”SC'16: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. IEEE, 2016.

[2] Fu, Haohuan, et al. “Refactoring and optimizing the community atmosphere model (CAM) on the sunway taihulight supercomputer.”SC'16: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. IEEE, 2016.

[3] Fu, Haohuan, et al. “Redesigning CAM-SE for peta-scale climate modeling performance and ultra-high resolution on Sunway TaihuLight.”Proceedings of the international conference for high performance computing, networking, storage and analysis. 2017.

出品：科普中國

作者：楊超（中國科普作家協(xié)會）

監(jiān)制：中國科普博覽