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1、千万亿次计算：趋势与需求王 龙中国科学院计算机网络信息中心 超级计算中心2008年7月25日 内容纲要一. 超级计算机的发展趋势二. 国外的千万亿次应用计划三. 国内相关研究目录一. 超级计算机的发展趋势二. 国外的千万亿次应用计划三. 国内相关研究1.1 Top 500Rank SiteCores RmaxPower Processor 1DOE/NNSA/LA NL12240 010262345. 5Cell+AMD Dual2DOE/NNSA/LL NL21299 2478.2 2329. 6Dual 4403ANL16384 0450.3 1260Quad 4504TACC/UT629
2、76 3262000AMD Quad 5DOE/ORNL30976 2051580. 7AMD Quad6FZJ65536 180504Quad 450 7NMCAC14336 133.2 861.6 Intel Quad 53xx 8CRL/TATA SONS14384 132.8 786Intel Quad 53xx 9IDRIS40960 112.5 315Quad 450 10TEP10240 106.1 442Intel Quad 54xx1.1.2 Top500 超级计算机国家份额美国（257）欧洲（184:英国53,德国46）亚洲（48:日本22,大陆12,印度6,中国台湾3）1
3、.2 Green 500TopGreenMflops/ WPowerProcessor13437.432345.5 Cell+AMD Dual 243205.272329.6 Dual 440 314357.381260Quad 450 428359.165510.4 AMD Quad 530256.473630AMD Quad 614357.14504Quad 450 778147.28861.63 Intel Quad 53xx 815493.61418.7 3Intel Quad 53xx 914357.14315Quad 450 1017240.05442Intel Quad 54xx
4、1.3 趋势(续)目录一. 超级计算机的发展趋势二. 国外的千万亿次应用计划三. 国内相关研究2.1 超级计算使科学变得更直观2.2 美国NSF千万亿次计划1.恒星的辐射、动力学和核物理； 2.超新星物理、伽玛射线爆发、双黑洞系统和中子星之间的碰撞； 3.地球、巨型气体行星（gas giants）、恒星的电磁场如何产生和演化？ 4.冠状物质抛射（coronal mass ejections）及其对地球电磁场的影响，包 括磁场的重结（magnetic reconnection）和地磁场次暴（geo-magnetic sub-storms）的模拟； 5.银河系的形成与演化； 6.低马赫数天体物质流
5、（Low Mach-number astrophysical flows），例如形 成行星云（planetary nebula）的恒星外壳的爆炸； 7.早期宇宙结构的演化； 8.分子云（molecular clouds）和前恒星核（pre-stellar cores）的形成；9.在经典电磁流体、化学反应物中的分层与不分层、有旋涡与无漩涡湍流中 的详细结构和性质； 10. 在复杂系统中化学反应过程与流体动力学间的相互作用，例如燃烧、大 气化学以及化学反应过程。 11. 可压缩多相流的性质；2.2 美国NSF千万亿次计划(续)12. 大气系统、气象系统和地球气候之间的非线性相互作用； 13. 地球
6、碳、氮、水的耦合循环动力学； 14. 通过高分辨率、宽带、全球的地震探测研究地球的内部构造； 15. 十年期间的大型江河流域水文动力学； 16. 海洋与陆地以及海洋与大气的耦合动力学；17. 具有大生物分子和生物分子团的反应机理，例如酶、核糖体和细胞膜； 18. 在只给定基本氨基酸序列的条件下预测蛋白质的三维结构； 19. 病毒衣壳组装（assembly of capsids）的理解；20. 利用第一原理模拟极端条件下物质的块体性质（bulk properties）； 21. 适应特殊性和高效地运用第一原理设计催化剂、药物和其它分子材料； 22. 材料设计；2.2 美国NSF千万亿次计划(续)
7、23. 对摩擦和润滑分子层面的理解； 24. 精确到1卡/摩尔的任何化学反应界面势能，以及在此界面的分子相应的动 力学行为的研究； 25. 分子电子器件设计； 26. 纳米尺度的工程结构的性质； 27. 半导体和金属表面的多相催化作用；28. 强关联系统（Strongly correlated systems）； 29. 阿秒脉冲激光与多原子分子（polyatomic molecules）的相互作用； 30. 强相互作用主导的高能物理过程； 31. 燃烧等离子体的性质和不稳定性，以及主动磁约束技术研究；32. 工程系统健壮的优化设计； 33. 复杂系统的控制； 34. 特别巨大的（天文数字的）
8、数据集合的分析；2.3 欧盟千万亿次计划l 气象、气候学和地球科学领域 气候改变，气象学，水文学和空气质量 海洋学和海洋业预报 地球科学 l 天体物理学，高能物理和等离子体物理领域 天体物理学，包括从天体的形成，到整个宇宙的起源和演化问题 基本粒子物理学 等离子体物理，包括建造ITER提出的科学和技术问题 l 材料科学、化学和纳米科学领域 复杂材料的理解，包括对各类材料的成核现象、生长、自组织和聚合的模 拟，确定工艺过程、使用条件和构成之间关系的材料力学性质的多尺度描 述 复杂化学的理解，包括大气化学、软物质化学（例如聚合物）、燃烧的原 子层次的描述、超分子装配技术、生物化学 纳米科学，包括纳
9、电子学，纳米尺度的机械属性仿真，纳米尺度的流变学 、应用流体学和摩擦学的基于原子作用的描述2.3 欧盟千万亿次计划(续)l 生命科学领域 系统生物学，在未来4年内，欧洲将实现世界上第一个“硅片中的”细胞 。 染色体动力学 大尺度蛋白质动力学 蛋白质联结和聚合 超分子系统 医学，例如，确定触发多基因疾病、预测在某些人群中与药物异常代谢相 关的次级作用或药物与异于其原始靶点的大分子的交互作用的仿真。 l 工程学领域 直升机的完全仿真 生物医学流体力学 燃气轮机和内燃烧引擎 森林火灾 绿色飞行器 虚拟发电厂2.4 日本的千万亿次计划2.4.1 日本千万亿次计划主要应用2.4.2 日本千万亿次重点应用
10、：纳米科学与生命科学2.5 总结l 材料、化学、纳米科学、生命科学、空间、天文、高能物理是共 同关注的千万亿次计算热点领域 l 分子动力学计算、第一原理计算、流体、磁流体计算、量子色动 力学计算、量子化学计算、有限元计算等问题有很好的并行潜力 l208K:用MD研究流体的Kelvin-Helmholtz不稳定性 l128k：FPMD计算High-Z金属材料 l64K: WRF计算 l32K:量子色动力学计算 l4k,47453366,32535777,142360098手机跌落模拟 l 相比万亿次计算，千万亿次计算将能更有力揭示客观世界的多尺 度性质,或提供一种空前的视野atomistic (
11、via ab initio molecular dynamics)、 microscale (dislocation dynamics)、mesoscale (aggregate materials models)、continuum (finite elements)目录一. 超级计算机的发展趋势二. 国外的千万亿次应用计划三. 国内相关研究3.1 环境科学NSF-大气系统、气象系统和地球气候之间的非线性相互作用;海洋与陆地以及 海洋与大气的耦合动力学;欧盟-气候改变，气象学,海洋学： l 曾庆存等、王斌、延晓冬等 大气所 “气候学理论研究、模式发展及模式应 用：IAP-DCSM,LASG,
12、RIEMS等” 几十个cpu l 陈德辉等 气象局数值预报中心 “新一代数值预报模式系统GRAPES的开发” 10100cpu l 张小曳,龚山陵等气象局大气成分中心“大气成分;气象局化学天气数 值预报系统开发”128cpu l 周广庆等,王凡等大气所,海洋所 “海洋模式发展及应用”几个 cpuNSF-地球碳、氮、水的耦合循环动力学;十年期间大型江河流域水文动力学 l 于强、莫兴国、田静、陶波等 地理科学与资源研究所 “中国生态系统研究 网络：分布式生态水文模拟和数据同化、高分辨率陆地表面水热过程、土壤 植物大气系统的水热过程和作物生长模型” 深腾6800，128cpu或串行NSF-通过高分辨
13、率、带宽、全球地震探测研究地球的内部构造、欧盟地球 科学、日本灾害预防 l 石耀霖，张怀等 研究生院计算地球实验室“地球动力学定量化模拟研究 ：区域应力演化历史、区域和全球地震波数值模拟” 数百cpu3.2 生命科学NSF-具有大生物分子和生物分子团的反应机理，例如酶、核糖 体和细胞膜；适应特殊性和高效地运用第一原理设计催化剂、药 物和其它分子材料；在只给定基本氨基酸序列的条件下预测蛋白 质的三维结构；欧盟医学、蛋白质联结与聚合、大尺度蛋白质 动力学；日本药物设计等 l 陈润生 生物物理所 “理论生物学和生物信息学” l 韩敬东 遗传所 “分子系统生物学” l 于坤千 上海药物所 “大规模药物
14、筛选、生物大分子体系的分子 动力学模拟” 512 CPU l 于 军 中科院北京基因组所 “基因组学与生物信息” 512CPUl 朱维良 中科院上海药物所 “药物发现与设计” 128CPU l 吴佳妍 中科院北京基因组所 “转录组信息挖掘” 256CPU l 熊兵 上海药物所 “计算机辅助药物设计及药物化学合成；生物 大分子的构象变化，包括蛋白质折叠；蛋白蛋白相互作用；药 物大分子相互作用；蛋白质构象变化疾病” 数百个cpu l Dress所长 中科院-马普计算生物研究所 “蛋白质分布、功能以 及分子结构模拟” 300-400 CPUs l 雷红星 中科院北京基因组所 “蛋白质动力学模拟” 串
15、行3.3 化学、材料、纳米科学NSF 在复杂系统中化学反应过程与流体动力学间的相互作用 ，例如燃烧、大气化学以及化学反应过程；阿秒脉冲激光与多原 子分子（polyatomic molecules ）的相互作用；精确到1卡/摩 尔的任何化学反应界 面势能，以及在此界面的分子相应的动力 学行为的研究；欧盟 复杂化学的理解，包括大气化学、软物 质化学（例如聚合物 ）、燃烧的原子层次的描述、超分子装配 技术、生物化学； l 葛蔚 过程所“化工复杂过程的多尺度模拟分析与控制”512cpu l 刘靖尧 吉林大学“重要化学微观过程及反应控制” 8CPU l 韩克利 中科院大连化物所 “分子反应动力学实验与理
16、论研究 ”64CPU l 吕中元 吉林大学 “高分子凝聚态物理及计算机模拟”16CPU l 杨小震，孔滨等 化学所 “高分子化学与物理实验室” l 史庭云 武汉物数所 “原子分子物理：量子少体结构与碰撞动力 学，原子、分子的强外场效应” l 杨明晖 武汉数物所 “分子光谱,反应动力学和量子化学“ 32CPU3.3 化学、材料、纳米科学（续）NSF-材料设计;分子电子器件设计；纳米尺度工程结构性质;适 应特殊性和高效地运用第一原理设计催化剂、药物和其它分子材 料；欧盟-纳米科学;纳电子学；复杂材料的理解，包括对各类材 料的成核现象、生长、自组织和聚合的模拟，确定工艺过程、使 用条件和构成之间关系的材料力学性质的多尺度描述;日本纳 米科学 l 卢仲毅 理论物理所 “纳米尺度下的电子输运性质”64-128CPU l 帅志刚化学所 “有机功能材料的性能预测与应用” l 杨锐、成会明、徐东生等 金属所 “材料设计/纳米
