神威太湖之光蝉联超算冠军 它到底能跑哪些应用？

出品：科普中国

制作：铁流

监制：中国科学院计算机网络信息中心

不久前，新一期全球超级计算机500强（TOP500）榜单在美国盐湖城公布，不仅中国神威太湖之光蝉联冠军，在TOP500上榜总数上中国也与美国持平。紧接着，依托神威太湖之光的“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”荣获戈登贝尔奖。用事实证明了神威太湖之光不仅性能高，而且应用水平也很高。那么，除了高端大气上档次的荣获戈登贝尔奖的应用，神威太湖之光还有哪些具体应用呢？

应用一：基于国产平台的国产地球系统模式

公共地球系统模式是一个MPMD的大型并行系统，经历了30年的建立与发展，核心代码量超过150万行，是目前全球使用最广泛的地球模式，也是高性能计算的传统应用。CESM计算模式多样，各个部分并不相同，对计算机器以及并行算法都有不同要求，在移植、加速以及优化算法等方面都具有较高的挑战。清华大学地学中心、清华大学计算机系为了将代码量巨大的CAM模式扩展到神威系统的百万计算核上，对公共大气模式CAM的代码重构与性能优化设计了与神威系统计算、存储模型相匹配的计算代码，有效地提高了计算性能。与纯主核版本相比，同时使用主、从核的优化程序能取得22倍的性能提升。通过使用24,000个主核以及1,536,000个从核，全球范围25公里分辨率的模拟速度可以达到2.81模式年/天。

应用二：航天飞行器统一算法数值模拟

国家计算流体力学实验室基于“神威·太湖之光”超级计算机，对“天宫一号”飞行器两舱简化外形（长度10余米、横截面直径近3.5米）陨落飞行（H=65km、62km、Ma=13）绕流状态大规模并行模拟，使用16,384个处理器在20天内便完成常规需要12个月的计算任务，计算结果与风洞实验结果吻合较好，为“天宫一号”飞行试验提供重要数据支持。

应用三：纳米线热导率的大规模分子动力学模拟

低维纳米材料由于具有许多独特的光、热、电、磁等性质，已成为当前材料领域研究的重要方向。当前的实验测量技术在处理纳米尺度传热时遇到许多困难，实验测量结果会存在较大的偏差。分子动力学(NAMD)模拟方法能够细致刻画院子振动周期内的微观过程，已经成为研究低维纳米结构导热性质的主要手段。非平衡分子动力学模拟（NEMD）由于类似于直接的实验测量，并且模拟收敛快，计算效率高，能够处理像纳米线、多晶这样的不均匀结构，因此得到广泛应用。

中科院过程所利用“神威·太湖之光”计算机系统的大规模并行计算能力，模拟体系原子数目达到了了20亿量级，单一方向空间特征尺度达到500微米以上，从而可以考察低维纳米材料力学和热学性质的一些临界尺寸效应。计算取得了良好的性能，有效扩展到122,880个主核，共计798万个计算核心，并达到了70%的并行效率。

应用四：岛礁建设浮式平台的移植与优化

目前，岛礁建设浮式平台具有土石方及各类建筑材料卸船、平台上重载汽车装运、经栈桥输送至礁盘、机械货物堆放与起吊、电力与燃料供应、施工人员食宿、淡水制造、污水处理等功能，可拖带至不同待建岛礁重复使用，特别是在西沙群岛和中、南沙群岛有关岛礁将来建设中，对输送物资上岛，船载土石料高效卸运、礁盘上永久基地高效施工有着重要意义。

在科技部973项目“海洋超大型浮体复杂环境响应与结构安全性”和工信部高技术船舶科研项目“岛礁中型（总长 300 米级）浮式结构物关键技术研究”支持下，中国船舶重工集团公司第七〇二研究所通过基于吴有生院士创立的三维水弹性理论而发展的可以考虑航速、频域二阶非线性、计及海底地形影响等因素的可视化成熟软件THAFTS，首次采用了数百万处理器核对近岛礁浮式平台和海洋超大型浮体三维水弹性问题进行了大规模并行计算。计算结果准确揭示了在近岛礁海底变化和波浪非均匀性影响下浮式平台的运动和载荷响应特性，所得数据可靠，并与试验结果相互验证，比较准确地评估了浮式平台在近岛礁复杂环境条件下的结构应力水平，具有重要的理论价值和工程实际意义。将来在祖国的海疆上见到这些浮式平台在工作，也要给神威太湖之光计一份功劳。

除上述介绍的应用和一些不方便披露的特殊应用之外，还有基于受体库的药物结合能力研究与生物大分子的分子动力学模拟、真实感动漫渲染系统研究与应用等具体应用。在最近曝光率非常高的深度学习方面，无锡超算中心和北邮合作，实现在SW26010芯片上，对占卷积神经网络90%计算时间的卷积层操作进行深度优化，相比今年八月份的工作有26%的性能提高，在SW26010单核组上还实现了智能围棋神经网络的正向传播过程……从上述例子可以看出，神威太湖之光不仅拥有可以用来争夺戈登贝尔奖的应用，还有科学研究、工程实践和商业用途的超算渲染方面发挥着巨大作用。

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