高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

我国高性能计算应用的瞩目成果

中国科学院科学家联合攻关取得令人瞩目的高性能计算应用成果

高性能计算应用的发展和进步需要数学、计算科学、应用领域等学科的深度交叉融合。20世纪90年代中期，中国科学院软件研究所、生物物理研究所、物理研究所以及北京科技大学、国家智能中心的科学家联合攻关，在国产“曙光1000”并行计算机上，完成了多个应用软件，并在天然DNA的整体电子结构理论计算、激光晶体材料（LBO）电子态理论分析及广义本征值并行计算等方面取得了令人瞩目的高水平成果。生物物理学、物理学等应用领域的科学家设计出便于在“曙光1000”上实现的新方案，并在运维人员的密切配合下，使其付诸实施。而计算科学家则针对“曙光1000”的特点，提出了“黑匣子并行”的思想和并行方案；同时，在理论上证明了若干收敛性定理，为保证计算结果的正确性及准确预估迭代时间提供了可靠的理论保证。这是中国科学院非常具有代表性的多领域科学家联合攻关，发挥物理模型、算法和高性能计算技术多学科优势和深度交叉的力量，取得高水平成果的成功案例。后来，参与攻关的中国科学院物理研究所王鼎盛与中国科学院生物物理研究所陈润生分别因在计算物理学与计算生物学上的成就而被增选为中国科学院院士。

中国高性能计算应用取得“戈登·贝尔”奖的突破

近年来，我国科学家在高性能计算应用领域又取得了新突破。在大气科学的全球大气动力学的高性能计算研究方面，由中国科学院软件研究所杨超、清华大学薛巍和付昊桓领衔的应用成果——“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”在2016年11月美国盐湖城举办的“全球超级计算大会2016”（SC16）上一举拿下高性能计算应用领域最高奖——“戈登·贝尔”奖②，实现了我国高性能计算应用在此项大奖上零的突破，成为我国高性能计算应用发展的一个新的里程碑。该课题在应用与算法2个层面实现了重大突破：①应用层面。大气动力过程的模拟速度较美国下一代大气模拟系统AM3（GFDL开发）的计算效率提升近1个数量级。全隐式求解方法是未来超高分辨率大气模式构建的一种新选择。②算法层面。实现目前世界上第一个可扩展到千万核，峰值效率超过6％的隐式求解器，它将模拟分辨率提升至500米以内，并行度和峰值效率较2015年“戈登·贝尔”奖工作均提升一个数量级。该成果可应用于全球高分辨率气候模拟和高精细数值天气预报，并在航空、地学、工程学等领域的挑战性计算问题中有广阔应用前景。