1、千萬億次計算：趨勢與需求 王王 龍龍 中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心 超級計算中心超級計算中心 20082008年年7 7月月2525日日 內(nèi)容綱要內(nèi)容綱要 一一. . 超級計算機的發(fā)展趨勢超級計算機的發(fā)展趨勢 二二. . 國外的千萬億次應(yīng)用計劃國外的千萬億次應(yīng)用計劃 三三. . 國內(nèi)相關(guān)研究國內(nèi)相關(guān)研究 目錄目錄 一一. . 超級計算機的發(fā)展趨勢超級計算機的發(fā)展趨勢 二二. . 國外的千萬億次應(yīng)用計劃國外的千萬億次應(yīng)用計劃 三三. . 國內(nèi)相關(guān)研究國內(nèi)相關(guān)研究 1.1 Top 5001.1 Top 500 RankSiteCoresRmaxPowerProcesso

2、r 1DOE/NNSA/LANL122400 10262345.5 Cell+AMD Dual 2DOE/NNSA/LLNL212992 478.22329.6 Dual 440 3ANL163840 450.31260Quad 450 4TACC/UT629763262000AMD Quad 5DOE/ORNL309762051580.7 AMD Quad 6FZJ65536180504Quad 450 7NMCAC14336133.2861.6Intel Quad 53xx 8CRL/TATA SONS14384132.8786Intel Quad 53xx 9IDRIS40960112.

3、5315Quad 450 10TEP10240106.1442Intel Quad 54xx 1.1.2 Top500 1.1.2 Top500 超級計算機國家份額超級計算機國家份額 美國（257）歐洲（184:英國53,德國46） 亞洲（48:日本22,大陸12,印度6,中國臺灣3） 1.2 Green 500 TopGreenMflops/WPowerProcessor 13437.432345.5Cell+AMD Dual 243205.272329.6Dual 440 314357.381260Quad 450 428359.165510.4AMD Quad 530256.473630

4、AMD Quad 614357.14504Quad 450 778147.28861.63Intel Quad 53xx 815493.61418.73 Intel Quad 53xx 914357.14315Quad 450 1017240.05442Intel Quad 54xx 1.3 1.3 趨勢趨勢( (續(xù)續(xù)) ) 目錄目錄 一一. . 超級計算機的發(fā)展趨勢超級計算機的發(fā)展趨勢 二二. . 國外的千萬億次應(yīng)用計劃國外的千萬億次應(yīng)用計劃 三三. . 國內(nèi)相關(guān)研究國內(nèi)相關(guān)研究 2.1 2.1 超級計算使科學(xué)變得更直觀超級計算使科學(xué)變得更直觀 2.2 2.2 美國美國NSFNSF千萬億次計

5、劃千萬億次計劃 1.恒星的輻射、動力學(xué)和核物理； 2.超新星物理、伽瑪射線爆發(fā)、雙黑洞系統(tǒng)和中子星之間的碰撞； 3.地球、巨型氣體行星（gas giants）、恒星的電磁場如何產(chǎn)生和演化？ 4.冠狀物質(zhì)拋射（coronal mass ejections）及其對地球電磁場的影響，包括 磁場的重結(jié)（magnetic reconnection）和地磁場次暴（geo-magnetic sub- storms）的模擬； 5.銀河系的形成與演化； 6.低馬赫數(shù)天體物質(zhì)流（Low Mach-number astrophysical flows），例如形 成行星云（planetary nebula）的恒星外殼

6、的爆炸； 7.早期宇宙結(jié)構(gòu)的演化； 8.分子云（molecular clouds）和前恒星核（pre-stellar cores）的形成； 9.在經(jīng)典電磁流體、化學(xué)反應(yīng)物中的分層與不分層、有旋渦與無漩渦湍流中的 詳細結(jié)構(gòu)和性質(zhì)； 10. 在復(fù)雜系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)過程與流體動力學(xué)間的相互作用，例如燃燒、大氣化 學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)過程。 11. 可壓縮多相流的性質(zhì)； 2.2 2.2 美國美國NSFNSF千萬億次計劃千萬億次計劃( (續(xù)續(xù)) ) 12. 大氣系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)和地球氣候之間的非線性相互作用； 13. 地球碳、氮、水的耦合循環(huán)動力學(xué)； 14. 通過高分辨率、寬帶、全球的地震探測研究地球的內(nèi)部構(gòu)造；

7、 15. 十年期間的大型江河流域水文動力學(xué)； 16. 海洋與陸地以及海洋與大氣的耦合動力學(xué)； 17. 具有大生物分子和生物分子團的反應(yīng)機理，例如酶、核糖體和細胞膜； 18. 在只給定基本氨基酸序列的條件下預(yù)測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)； 19. 病毒衣殼組裝（assembly of capsids）的理解； 20. 利用第一原理模擬極端條件下物質(zhì)的塊體性質(zhì)（bulk properties）； 21. 適應(yīng)特殊性和高效地運用第一原理設(shè)計催化劑、藥物和其它分子材料； 22. 材料設(shè)計； 2.2 2.2 美國美國NSFNSF千萬億次計劃千萬億次計劃( (續(xù)續(xù)) ) 23. 對摩擦和潤滑分子層面的理解； 24.

8、 精確到1卡/摩爾的任何化學(xué)反應(yīng)界面勢能，以及在此界面的分子相應(yīng)的動力 學(xué)行為的研究； 25. 分子電子器件設(shè)計； 26. 納米尺度的工程結(jié)構(gòu)的性質(zhì)； 27. 半導(dǎo)體和金屬表面的多相催化作用； 28. 強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（Strongly correlated systems）； 29. 阿秒脈沖激光與多原子分子（polyatomic molecules）的相互作用； 30. 強相互作用主導(dǎo)的高能物理過程； 31. 燃燒等離子體的性質(zhì)和不穩(wěn)定性，以及主動磁約束技術(shù)研究； 32. 工程系統(tǒng)健壯的優(yōu)化設(shè)計； 33. 復(fù)雜系統(tǒng)的控制； 34. 特別巨大的（天文數(shù)字的）數(shù)據(jù)集合的分析； 2.3 2.3 歐盟千

9、萬億次計劃歐盟千萬億次計劃 l 氣象、氣候?qū)W和地球科學(xué)領(lǐng)域 氣候改變，氣象學(xué)，水文學(xué)和空氣質(zhì)量 海洋學(xué)和海洋業(yè)預(yù)報 地球科學(xué) l 天體物理學(xué)，高能物理和等離子體物理領(lǐng)域 天體物理學(xué)，包括從天體的形成，到整個宇宙的起源和演化問題 基本粒子物理學(xué) 等離子體物理，包括建造ITER提出的科學(xué)和技術(shù)問題 l 材料科學(xué)、化學(xué)和納米科學(xué)領(lǐng)域 復(fù)雜材料的理解，包括對各類材料的成核現(xiàn)象、生長、自組織和聚合的模 擬，確定工藝過程、使用條件和構(gòu)成之間關(guān)系的材料力學(xué)性質(zhì)的多尺度描 述 復(fù)雜化學(xué)的理解，包括大氣化學(xué)、軟物質(zhì)化學(xué)（例如聚合物）、燃燒的原 子層次的描述、超分子裝配技術(shù)、生物化學(xué) 納米科學(xué)，包括納電子學(xué)，納米

10、尺度的機械屬性仿真，納米尺度的流變學(xué)、 應(yīng)用流體學(xué)和摩擦學(xué)的基于原子作用的描述 2.3 2.3 歐盟千萬億次計劃歐盟千萬億次計劃( (續(xù)續(xù)) ) l 生命科學(xué)領(lǐng)域 系統(tǒng)生物學(xué)，在未來4年內(nèi)，歐洲將實現(xiàn)世界上第一個“硅片中的”細胞。 染色體動力學(xué) 大尺度蛋白質(zhì)動力學(xué) 蛋白質(zhì)聯(lián)結(jié)和聚合 超分子系統(tǒng) 醫(yī)學(xué)，例如，確定觸發(fā)多基因疾病、預(yù)測在某些人群中與藥物異常代謝相 關(guān)的次級作用或藥物與異于其原始靶點的大分子的交互作用的仿真。 l 工程學(xué)領(lǐng)域 直升機的完全仿真 生物醫(yī)學(xué)流體力學(xué) 燃氣輪機和內(nèi)燃燒引擎 森林火災(zāi) 綠色飛行器 虛擬發(fā)電廠 2.4 2.4 日本的千萬億次計劃日本的千萬億次計劃 2.4.1 2

11、.4.1 日本千萬億次計劃主要應(yīng)用日本千萬億次計劃主要應(yīng)用 2.4.2 2.4.2 日本千萬億次重點應(yīng)用：納米科學(xué)與生命科學(xué)日本千萬億次重點應(yīng)用：納米科學(xué)與生命科學(xué) 2.5 2.5 總結(jié)總結(jié) l 材料、化學(xué)、納米科學(xué)、生命科學(xué)、空間、天文、高能物理是共 同關(guān)注的千萬億次計算熱點領(lǐng)域 l 分子動力學(xué)計算、第一原理計算、流體、磁流體計算、量子色動 力學(xué)計算、量子化學(xué)計算、有限元計算等問題有很好的并行潛力 l208K:用MD研究流體的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性 l128k：FPMD計算High-Z金屬材料 l64K: WRF計算 l32K:量子色動力學(xué)計算 l4k,47453366,3

12、2535777,142360098手機跌落模擬 l 相比萬億次計算，千萬億次計算將能更有力揭示客觀世界的多尺 度性質(zhì),或提供一種空前的視野 atomistic (via ab initio molecular dynamics)、 microscale (dislocation dynamics)、mesoscale (aggregate materials models)、continuum (finite elements) 目錄目錄 一一. . 超級計算機的發(fā)展趨勢超級計算機的發(fā)展趨勢 二二. . 國外的千萬億次應(yīng)用計劃國外的千萬億次應(yīng)用計劃 三三. . 國內(nèi)相關(guān)研究國內(nèi)相關(guān)研究 3.1

13、 3.1 環(huán)境科學(xué)環(huán)境科學(xué) NSF-NSF-大氣系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)和地球氣候之間的非線性相互作用大氣系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)和地球氣候之間的非線性相互作用; ;海洋與陸地以及海洋與陸地以及 海洋與大氣的耦合動力學(xué)海洋與大氣的耦合動力學(xué); ;歐盟歐盟-氣候改變，氣象學(xué)氣候改變，氣象學(xué), ,海洋學(xué)：海洋學(xué)： l 曾慶存等、王斌、延曉冬等 大氣所大氣所 “氣候?qū)W理論研究、模式發(fā)展及模式應(yīng) 用：IAP-DCSM,LASG,RIEMS等” 幾十個cpu l 陳德輝等 氣象局數(shù)值預(yù)報中心氣象局數(shù)值預(yù)報中心 “新一代數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)GRAPES的開發(fā)” 10100cpu l 張小曳,龔山陵等氣象局大氣成分中心氣象局大氣成

14、分中心“大氣成分;氣象局化學(xué)天氣數(shù) 值預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)”128cpu l 周廣慶等,王凡等大氣所大氣所, ,海洋所海洋所 “海洋模式發(fā)展及應(yīng)用”幾個 cpu NSF-NSF-地球碳、氮、水的耦合循環(huán)動力學(xué)地球碳、氮、水的耦合循環(huán)動力學(xué); ;十年期間大型江河流域水文動力學(xué)十年期間大型江河流域水文動力學(xué) l 于強、莫興國、田靜、陶波等 地理科學(xué)與資源研究所地理科學(xué)與資源研究所 “中國生態(tài)系統(tǒng)研究 網(wǎng)絡(luò)：分布式生態(tài)水文模擬和數(shù)據(jù)同化、高分辨率陸地表面水熱過程、土壤 植物大氣系統(tǒng)的水熱過程和作物生長模型” 深騰6800，128cpu或串行 NSF-NSF-通過高分辨率、帶寬、全球地震探測研究地球的內(nèi)部構(gòu)造

15、、歐盟地球通過高分辨率、帶寬、全球地震探測研究地球的內(nèi)部構(gòu)造、歐盟地球 科學(xué)、日本災(zāi)害預(yù)防科學(xué)、日本災(zāi)害預(yù)防 l 石耀霖，張懷等 研究生院計算地球?qū)嶒炇摇暗厍騽恿W(xué)定量化模擬研究： 區(qū)域應(yīng)力演化歷史、區(qū)域和全球地震波數(shù)值模擬” 數(shù)百cpu 3.2 3.2 生命科學(xué)生命科學(xué) NSF-NSF-具有大生物分子和生物分子團的反應(yīng)機理，例如酶、核糖具有大生物分子和生物分子團的反應(yīng)機理，例如酶、核糖 體和細胞膜；適應(yīng)特殊性和高效地運用第一原理設(shè)計催化劑、藥體和細胞膜；適應(yīng)特殊性和高效地運用第一原理設(shè)計催化劑、藥 物和其它分子材料；在只給定基本氨基酸序列的條件下預(yù)測蛋白物和其它分子材料；在只給定基本氨基酸序

16、列的條件下預(yù)測蛋白 質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)；歐盟醫(yī)學(xué)、蛋白質(zhì)聯(lián)結(jié)與聚合、大尺度蛋白質(zhì)質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)；歐盟醫(yī)學(xué)、蛋白質(zhì)聯(lián)結(jié)與聚合、大尺度蛋白質(zhì) 動力學(xué)；日本藥物設(shè)計等動力學(xué)；日本藥物設(shè)計等 l 陳潤生 生物物理所生物物理所 “理論生物學(xué)和生物信息學(xué)” l 韓敬東 遺傳所遺傳所 “分子系統(tǒng)生物學(xué)” l 于坤千 上海藥物所上海藥物所 “大規(guī)模藥物篩選、生物大分子體系的分子 動力學(xué)模擬” 512 CPU l 于 軍 中科院北京基因組所中科院北京基因組所 “基因組學(xué)與生物信息” 512CPU l 朱維良 中科院上海藥物所中科院上海藥物所 “藥物發(fā)現(xiàn)與設(shè)計” 128CPU l 吳佳妍 中科院北京基因組所中科院北京基因

17、組所 “轉(zhuǎn)錄組信息挖掘” 256CPU l 熊兵 上海藥物所上海藥物所 “計算機輔助藥物設(shè)計及藥物化學(xué)合成；生物 大分子的構(gòu)象變化，包括蛋白質(zhì)折疊；蛋白蛋白相互作用；藥 物大分子相互作用；蛋白質(zhì)構(gòu)象變化疾病” 數(shù)百個cpu l Dress所長 中科院中科院- -馬普計算生物研究所馬普計算生物研究所 “蛋白質(zhì)分布、功能以 及分子結(jié)構(gòu)模擬” 300-400 CPUs l 雷紅星 中科院北京基因組所中科院北京基因組所 “蛋白質(zhì)動力學(xué)模擬” 串行 3.3 3.3 化學(xué)、材料、納米科學(xué)化學(xué)、材料、納米科學(xué) NSF NSF 在復(fù)雜系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)過程與流體動力學(xué)間的相互作用，在復(fù)雜系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)過程與流體動

18、力學(xué)間的相互作用， 例如燃燒、大氣化學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)過程；阿秒脈沖激光與多原子例如燃燒、大氣化學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)過程；阿秒脈沖激光與多原子 分子（分子（polyatomic molecules polyatomic molecules ）的相互作用；精確到）的相互作用；精確到1 1卡卡/ /摩爾摩爾 的任何化學(xué)反應(yīng)界的任何化學(xué)反應(yīng)界 面勢能，以及在此界面的分子相應(yīng)的動力學(xué)面勢能，以及在此界面的分子相應(yīng)的動力學(xué) 行為的研究；歐盟行為的研究；歐盟 復(fù)雜化學(xué)的理解，包括大氣化學(xué)、軟物質(zhì)復(fù)雜化學(xué)的理解，包括大氣化學(xué)、軟物質(zhì) 化學(xué)（例如聚合物化學(xué)（例如聚合物 ）、燃燒的原子層次的描述、超分子裝配技）、燃燒的原

19、子層次的描述、超分子裝配技 術(shù)、生物化學(xué)；術(shù)、生物化學(xué)； l 葛蔚 過程所過程所“化工復(fù)雜過程的多尺度模擬分析與控制”512cpu l 劉靖堯 吉林大學(xué)吉林大學(xué)“重要化學(xué)微觀過程及反應(yīng)控制” 8CPU l 韓克利 中科院大連化物所中科院大連化物所 “分子反應(yīng)動力學(xué)實驗與理論研 究”64CPU l 呂中元 吉林大學(xué)吉林大學(xué) “高分子凝聚態(tài)物理及計算機模擬”16CPU l 楊小震，孔濱等 化學(xué)所化學(xué)所 “高分子化學(xué)與物理實驗室” l 史庭云 武漢物數(shù)所武漢物數(shù)所 “原子分子物理：量子少體結(jié)構(gòu)與碰撞動力 學(xué)，原子、分子的強外場效應(yīng)” l 楊明暉 武漢數(shù)物所武漢數(shù)物所 分子光譜,反應(yīng)動力學(xué)和量子化學(xué)“

20、 32CPU 3.3 3.3 化學(xué)、材料、納米科學(xué)（續(xù)）化學(xué)、材料、納米科學(xué)（續(xù)） NSF-NSF-材料設(shè)計材料設(shè)計; ;分子電子器件設(shè)計；納米尺度工程結(jié)構(gòu)性質(zhì)分子電子器件設(shè)計；納米尺度工程結(jié)構(gòu)性質(zhì); ;適適 應(yīng)特殊性和高效地運用第一原理設(shè)計催化劑、藥物和其它分子材應(yīng)特殊性和高效地運用第一原理設(shè)計催化劑、藥物和其它分子材 料；料；歐盟歐盟- -納米科學(xué)納米科學(xué); ;納電子學(xué)；復(fù)雜材料的理解，包括對各類材納電子學(xué)；復(fù)雜材料的理解，包括對各類材 料的成核現(xiàn)象、生長、自組織和聚合的模擬，確定工藝過程、使料的成核現(xiàn)象、生長、自組織和聚合的模擬，確定工藝過程、使 用條件和構(gòu)成之間關(guān)系的材料力學(xué)性質(zhì)的多尺

21、度描述用條件和構(gòu)成之間關(guān)系的材料力學(xué)性質(zhì)的多尺度描述; ;日本納日本納 米米科學(xué) l 盧仲毅 理論物理所理論物理所 “納米尺度下的電子輸運性質(zhì)”64-128CPU l 帥志剛化學(xué)所化學(xué)所 “有機功能材料的性能預(yù)測與應(yīng)用” l 楊銳、成會明、徐東生等 金屬所金屬所 “ “材料設(shè)計/納米尺度工程結(jié) 構(gòu)性質(zhì)”數(shù)十到上百CPU “應(yīng)用商業(yè)軟件或開源軟件： VASP、 ATK、emto-cpa,Materials Studio l 杜世萱、方忠等物理所物理所 “超高密度信息存儲材料與技術(shù)/分子 電子器件設(shè)計”16-64CPU，vasp等 l 張文清 上海硅酸鹽所上海硅酸鹽所 “多尺度材料模擬程序的發(fā)展及

22、應(yīng) 用”16-64CPU,vasp等 3.4 3.4 高能物理與等離子體物理、流體高能物理與等離子體物理、流體 NSFNSF強相互作用主導(dǎo)的高能物理過程；基本粒子物理學(xué)；燃燒強相互作用主導(dǎo)的高能物理過程；基本粒子物理學(xué)；燃燒 等離子體的性質(zhì)和不穩(wěn)定性，以及主動磁約束技術(shù)研究；歐盟等離子體的性質(zhì)和不穩(wěn)定性，以及主動磁約束技術(shù)研究；歐盟 等離子體物理，包括建造等離子體物理，包括建造ITERITER提出的科學(xué)和技術(shù)問題提出的科學(xué)和技術(shù)問題 l 陳瑩高能所高能所“格點規(guī)范理論和格點QCD數(shù)值模擬研 究”40128CPU l 馬建平理論物理所理論物理所“強相互作用的研究” l 李建剛等離子體物理研究所等離子體物理研究所 “高溫等離子體與受控?zé)岷司?變領(lǐng)域 ” NSFNSF可壓縮多相流的性質(zhì)可壓縮多相流的性質(zhì) l 李新亮、傅德熏等 力學(xué)所力學(xué)所 “高速飛行器復(fù)雜流動的直接數(shù)值模 擬” 512cpu 3.5 3.5 空間天氣、天文空間天氣、天文 NSFNSF冠狀物質(zhì)拋射（冠狀物質(zhì)拋射（coronal mass ejectionscoronal mass ejecti