高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

基础科学之高能物理

现状

高能物理的研究对象是物质世界的基本结构及基本相互作用。量子色动力学（QCD）和电弱统一理论（EW）通称为粒子物理的标准模型，是目前高能物理研究的基本理论体系。高能物理的前沿重要课题有强相互作用中的夸克禁闭、标准模型精确检验和超出标准模型的新物理的寻找；与之相关的重大物理问题有强子结构和强相互作用低能特性、宇宙早期演化、中微子性质和中微子质量起源、暗物质和暗能量等。

高性能计算在高能物理中发挥着日益重要的作用，应用范围包括海量的高能物理实验数据的分析（数据密集型）、对撞机和探测器的计算机模拟辅助设计（计算密集型），以及以格点量子色动力学（格点QCD）为代表的高能物理理论计算（计算密集型）。随着计算机技术的发展，高能物理中的高性能计算已经成为与传统的高能物理实验、理论研究并列的第三大分支；其中格点QCD以其高强度、高可扩展性、高并行效率等特点，长期成为高性能科学计算的主要应用领域之一。曾于1988年、1998年和2006年3次获得“戈登·贝尔”奖，2018年也入围了该奖项的候选名单。

欧、美、日等发达国家和地区历来十分重视格点QCD研究并保持在该领域的领先地位。目前，美国格点QCD研究每年消耗的计算资源为几百兆CPU核小时，预计到2025年将达到目前的几十至一百倍。格点QCD已被美国列为其未来E级计算机的重点应用之一，并组织研究队伍在物理课题、算法研究和程序开发等方面开展研究。

我国的格点QCD研究也有长期积累，目前正在组织相关团队基于国内的超级计算系统调试和开发格点QCD的应用软件，期望在未来参与到该领域E计算应用发展中。

对领域应用的促进

格点QCD的研究手段是进行大规模的Monte Carlo数值模拟研究，属于典型的高性能科学计算领域。其对于高能物理中的重大科学问题研究有不可替代的作用，直接服务于未来高能物理的重大物理发现。在标准模型精确检验和超出标准模型新物理寻找方面，格点QCD可以提供标准模型基本参数（如夸克质量、强耦合常数等）的最精确的理论结果；可以从第一性原理提供对新物理敏感的强子矩阵元的精确、可靠的理论输入。在夸克禁闭等强相互作用低能特性方面，格点QCD可以对新型强子态、强子－强子相互作用以及强子结构等问题给出模型无关的物理结果。

格点QCD研究成果的物理意义和国际地位直接决定于对统计误差和各种系统误差的控制水平，而误差大小直接决定于计算规模和计算资源。格点QCD的系统误差主要来自四维时空格点体系的物理大小、格点细密程度以及夸克质量参数的选取。目前国际上格点QCD研究的最大的格点体系大小为1283×256，计算规模大约十万或数十万核；如果未来规模提高到2563×512，则计算规模将增大到数百万核，必须使用E级计算。正所谓“计算决定未来”，计算能力和资源对高能物理未来的重要发现和理论突破的意义是不言而喻的。

发展趋势

美国面向格点QCD研究的未来E级计算应用早已开始布局，国产高性能计算系统将为我国的格点QCD研究直接参与国际竞争提供十分重要的计算支撑。北京正负电子对撞机和北京谱仪（BEPCII／BESIII）是国际上工作在粲夸克能区独一无二的高亮度的实验装置。在轻强子性质研究，尤其是在新型强子态（如胶球、混杂态和XYZ粒子）研究方面有潜在的重大物理发现，但需要理论研究的支持，其中格点QCD的研究必不可少。

我国格点QCD研究将基于国产高性能计算系统开展与BESIII物理密切相关的研究，为实验研究提供精确可靠的物理判据，以期产生重要物理成果。核子（质子和中子）是宇宙可见物质的主要组成，但我们对其结构并不十分清楚，我国筹建的中国高能电子－离子对撞机（EicC）和美国的高能电子－离子对撞机（EIC）及JLab的重要目标之一是研究核子结构。中国的格点QCD研究将针对核子质量、自旋核子三维结构以及对新物理敏感的强子矩阵元进行具有原创性的科学研究。同时，通过大规模的科学计算实践，我国科学家可为格点QCD研究的计算方案、算法和软件作出贡献。