盤點(diǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的9個(gè)用途是什么（揭示宇宙演化進(jìn)程）

在國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，新一屆全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單發(fā)布，中國(guó)“神威太湖之光”以大運(yùn)算速度奪得冠軍。過(guò)去，中國(guó)天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)連續(xù)6次蟬聯(lián)全球超級(jí)計(jì)算500強(qiáng)榜單冠軍，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了8次連續(xù)冠軍。此外，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在“神威太湖之光”上運(yùn)行的超級(jí)計(jì)算應(yīng)用也首次獲得了被稱為“諾貝爾高性能計(jì)算獎(jiǎng)”的戈登·貝爾獎(jiǎng)。那么什么樣的研究可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行呢？

揭示宇宙演化進(jìn)程

由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的宇宙中微子數(shù)值模擬國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上成功完成了30萬(wàn)億粒子對(duì)宇宙中微子和暗物質(zhì)的數(shù)值模擬，揭示了1600萬(wàn)年后宇宙大爆炸以來(lái)137億年的漫長(zhǎng)演化過(guò)程。中微子是自然界中最基本的粒子種類之一。它們沒(méi)有充電，動(dòng)作很快。目前，中微子的絕對(duì)質(zhì)量無(wú)法通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)和宇宙學(xué)觀測(cè)來(lái)測(cè)量。中微子可以抑制早期宇宙中星系和大尺度結(jié)構(gòu)的形成。后者可以通過(guò)大規(guī)模的宇宙學(xué)數(shù)值模擬間接測(cè)量，獲得中微子的質(zhì)量信息。這種大規(guī)模的宇宙學(xué)數(shù)值模擬必須依靠具有強(qiáng)大計(jì)算和存儲(chǔ)能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

模擬核試驗(yàn)

躋身500強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)是美國(guó)的泰坦和紅杉。他們屬于橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)能源部�；�于它們的超級(jí)計(jì)算應(yīng)用涉及核武器的研制和安全維護(hù)。以1945-1992年美國(guó)1054次核試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用超級(jí)計(jì)算機(jī)建立了核爆炸的數(shù)學(xué)模型，深刻理解了核爆炸的原理，為新一代核武器的研制服務(wù)；大量核武器在接近使用壽命的情況下，超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬可以用來(lái)預(yù)測(cè)它們何時(shí)會(huì)失效以及哪些部件需要更換。

氣候模擬和天氣預(yù)報(bào)

這一超級(jí)計(jì)算應(yīng)用獲得了中國(guó)戈登·貝爾獎(jiǎng)，被稱為“全球非靜態(tài)云分辨率模擬”。該項(xiàng)目以氣候和氣象學(xué)研究為方向。氣象預(yù)報(bào)需要對(duì)海量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)、查詢、分析和統(tǒng)計(jì)。用普通計(jì)算機(jī)計(jì)算幾百年是必要的。例如，降雨與云的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。利用超級(jí)計(jì)算機(jī)可以精確地模擬和觀測(cè)云的運(yùn)動(dòng)。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，觀測(cè)精度不斷下降。如果我們能“標(biāo)記”未來(lái)的每一片云，天氣預(yù)報(bào)就可以了。

地震模擬

超級(jí)計(jì)算機(jī)可以模擬地震。它通過(guò)計(jì)算不同地層的應(yīng)力變化來(lái)模擬地殼運(yùn)動(dòng)。如中德科學(xué)家利用天河二號(hào)模擬真實(shí)地震波傳播，再現(xiàn)了1992年美國(guó)加利福尼亞州蘭德地震的蘭德地震波傳播過(guò)程，為研究地震波的產(chǎn)生、傳播機(jī)理和地震預(yù)報(bào)提供了新的途徑。

石油勘探

超級(jí)計(jì)算機(jī)還可以計(jì)算出油井應(yīng)該在哪里鉆探。目前，地震勘探是鉆前勘探油氣資源的重要手段。所謂地震勘探，就是利用地下介質(zhì)的彈性差和密度差，觀察和分析地球?qū)θ斯ぜぐl(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下地層的性質(zhì)和形狀，從而確定油氣的準(zhǔn)確分布。這一過(guò)程需要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行密集的計(jì)算和模擬，計(jì)算結(jié)果需要轉(zhuǎn)換成直觀的三維圖像，因此必須借助高性能計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

海嘯危害預(yù)測(cè)

日本科學(xué)家利用超級(jí)計(jì)算機(jī)“北京”建立了海嘯模擬模型，并成功預(yù)測(cè)了地震后海嘯的破壞情況。結(jié)果表明，在宮城縣發(fā)生地震的情況下，仙臺(tái)市的洪水面積可以在10分鐘內(nèi)預(yù)報(bào)。如果這項(xiàng)技術(shù)得到推廣，將提高海嘯預(yù)警的準(zhǔn)確性，引導(dǎo)居民更有效地避難。海嘯災(zāi)害模擬量大、時(shí)間長(zhǎng)，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)災(zāi)害分析。日本“3.11”地震時(shí)，海嘯波高預(yù)測(cè)值低于實(shí)際高度。

精準(zhǔn)醫(yī)療

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是為每個(gè)人量身定做的醫(yī)療和治療，它不僅是一個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而且與計(jì)算能力密切相關(guān)�；�因差異決定個(gè)體差異。一個(gè)人的基因組中有30億個(gè)堿基對(duì)等待著科學(xué)家分析，考慮到人們的生活習(xí)慣和外部環(huán)境等信息。但這還不夠。我們至少需要數(shù)百萬(wàn)人的基因數(shù)據(jù)才能形成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣我們就可以分析基因差異與各種健康問(wèn)題之間的關(guān)系，從而“治療”人。所有這些都需要強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)處理。

藥物開(kāi)發(fā)

在超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”的幫助下，科學(xué)家們成功研制出抗癌新藥。研究人員將研究重點(diǎn)放在對(duì)癌細(xì)胞增殖起重要作用的蛋白質(zhì)上，并以這種特殊蛋白質(zhì)為突破口，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出能夠有效抑制癌細(xì)胞增殖的化學(xué)物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算這種癌細(xì)胞特異蛋白與可能有效藥物的結(jié)合及其對(duì)體內(nèi)水分的影響極其復(fù)雜，因此有必要借助超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確的模擬實(shí)驗(yàn)。

模擬血流

人體血管的總長(zhǎng)度為10萬(wàn)至16萬(wàn)公里。沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)，幾乎不可能實(shí)時(shí)模擬血管中的血液流動(dòng)。美國(guó)科學(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)成功地復(fù)制了整個(gè)人類動(dòng)脈系統(tǒng)。任何直徑超過(guò)1毫米的動(dòng)脈都會(huì)出現(xiàn)在分辨率為9微米的三維模型中。中國(guó)科學(xué)家也在用“太湖神威燈”模擬和分析人體血液流動(dòng)。這樣可以及時(shí)有效地判斷一個(gè)人是否會(huì)有腦梗死的危險(xiǎn)，而無(wú)需在血管內(nèi)放置測(cè)量裝置。除了模擬血液流動(dòng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)還可以模擬心臟、大腦和身體其他部位。