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中國超算團隊再獲「戈登·貝爾」獎

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2018年2月24日13時 今日科學 全國黨媒公共平台

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北京時間11月17日凌晨,由清華大學地球系統科學系副教授付昊桓等共同領導的團隊所完成的「非線性地震模擬」獲得國際高性能計算應用領域最高獎「戈登•貝爾」獎。

設計實現了可擴展性的非線性地震模擬應用平台,是超級計算機在地震災害研究方面的一次成功應用。這是我國繼去年實現在此獎項上零的突破後,第二次獲得這一高性能計算應用領域的最高獎項。

(1)基於中國全自主研發的「神威·太湖之光」超級計算機的強大計算能力

據介紹,這一成果基於中國全自主研發的「神威·太湖之光」超級計算機的強大計算能力,由清華大學地球系統科學系、計算機系與山東大學、南方科技大學、中國科學技術大學、國家並行計算機工程技術研究中心和國家超級計算無錫中心等單位共同完成。

「神威·太湖之光」是世界上首台峰值運算性能超過每秒十億億次浮點運算能力的超級計算機,也是我國第一台全部採用國產處理器構建的世界排名第一的超級計算機,由國家並行計算機工程技術研究中心研製。它的應用領域涉及天氣氣候、航空航天、先進位造、生物醫藥、新材料、新能源等19個方面,支持國家重大科技應用、先進位造等領域解算任務幾百項,取得了很多重要成果。

「超級計算機的研發是為了幫人類處理高難度的計算、解決問題,超級計算機的可持續發展,要與產業發展、學科發展相結合,需要各專業人才、交叉領域團隊的共同努力。」 國家超級計算無錫中心主任、清華大學計算機科學與技術系教授楊廣文介紹。

在運算過程中,「神威·太湖之光」充分發揮了國產處理器在存儲、計算資源等方面的優勢,可以實現高達18.9PFlops(每秒1億8千9百萬億次浮點運算)的非線性地震模擬,也是國際上首次實現如此大規模下的高解析度、高頻率的非線性可塑性地震模擬。

據了解,這樣高效率的取得,也離不開研究團隊的新算法。為了使超級計算機達到最好的效能,研究團隊設計了精巧的算法,解決了超級計算機計算過程中普遍存在的「內存帶寬受限」問題,擴展至全機超千萬核取得超過15 Pflops(每秒1億5千萬億次浮點運算)的持續性能。這對超級計算機來說,可謂是如虎添翼。

戈登·貝爾獎設立於1987年,是國際高性能計算應用領域的最高獎項,旨在鼓勵將超級計算機的超強計算能力投入應用之中。過去30年中,美、日研究人員憑藉運行在美國「泰坦」超級計算機、日本「京」超級計算機上的應用,都曾連續獲得該獎項。近年來,隨著中國在超級計算機領域的飛速發展,中國已經打破美、日壟斷,在超級計算機設計、性能及應用領域都展現出了強大的競爭力,取得國際領先地位。

(2)是超級計算機在地震災害研究方面的一次成功應用

本次獲得「戈登·貝爾」獎的成果「非線性地震模擬」,設計實現了可擴展性的非線性地震模擬應用平台,是超級計算機在地震災害研究方面的一次成功應用。

有學者介紹,即使是在科技高度發展的今天,預測地震仍然是世界性難題。地震等地質災害對生命健康、經濟、社會發展產生巨大的破壞,不斷驅動科學家和工程師們去研究、模擬甚至預測地震。中國是地震災害嚴重的國家,分布有23條地震帶,而在這些可能會受到地震強烈影響的區域內,分布著許多重要交通幹線、重大水電工程、大型礦山等生產設施和約21%的人口,對中國來說,地震研究極為重要。

儘管目前地震的發生仍無法預測,但對地震的模擬研究,能夠幫助人們了解地震造成破壞的過程,了解地震對不同地理面貌的破壞程度,從而對地震之後次生災害發生前的避難和疏散提供重要幫助,降低與預防地震災害所帶來的巨大損失,為人類與自然災害的抗爭作出貢獻。

「非線性地震模擬」項目首次實現了對1976年唐山大地震的高解析度精確模擬,使得科學家可以更好地理解唐山大地震所造成的影響,並對未來地震預防預測等研究具有重要的借鑑意義。

研究團隊選取了唐山大地震震源附近達320公里×312公里×40公里的空間區域,以0.001秒為時間單位,精確模擬了該區域在地震發生後150秒內的地質變化,解析度可達到8米,頻率可達到18Hz。解析度越高,頻率越高,對地震的模擬越精確,對高頻信息的刻畫越準確。而在此之前,美國團隊在「泰坦」超級計算機上運行的地震模擬,解析度和頻率只有20米、10Hz。

預測地震的主要困難在於要同時對時間、空間和地震強度進行預測,而將地震預測問題轉化為地震模擬「亞」問題,對已知地點發生的地震進行時間、地震強度的模擬,針對餘震預測、震級-頻度關係、基於地震過程情景模擬的震害預測等進行研究,難度大幅降低,同時對抗震防災同樣有重要意義。付昊桓團隊主要聚焦進行特定地點的地震場景模擬,不僅要研究基於斷層動力學破裂的震源產生過程,還要模擬基於量性波動模型的地震波傳播過程,既要研究地震怎麼來的,又要研究地震怎麼在空間中傳播的。

「儘管地震無法預測,但是基於這個模型,我們量化評估每個地點在發生地震時受到的災害有多大,對防災減災、城市規劃設計有著重要意義。而最終的奮鬥目標,則是要把科學更快地轉化為對人民有用的服務。」付昊桓表示。(人民日報中央廚房·半畝方塘工作室 趙婀娜 侯文曉)


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