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現(xiàn)代科學(xué)研究和工程技術(shù)中，高性能計(jì)算應(yīng)用將建模、算法、軟件研制和計(jì)算模擬融為一體，已成為高性能計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用的必要紐帶。文章從高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢、不同科學(xué)計(jì)算應(yīng)用對高性能計(jì)算機(jī)的需求談起，回顧和剖析了來自中國科學(xué)院多個學(xué)科的科學(xué)家協(xié)同通關(guān)，發(fā)揮學(xué)科深度交叉的優(yōu)勢，在“曙光1000”并行計(jì)算機(jī)上完成了多個應(yīng)用軟件并在天然DNA的整體電子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算、激光晶體材料（LBO）電子態(tài)理論分析及廣義本征值并行計(jì)算等方面取得了令人矚目的高水平成果的案例。多年來，中國科學(xué)院始終位列我國科學(xué)計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的前沿。在應(yīng)用水平、計(jì)算規(guī)模及成果顯示度均取得了長足進(jìn)步的背景下，文章選取了大氣科學(xué)、生命科學(xué)、高能物理、計(jì)算化學(xué)和材料科學(xué)等典型傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算應(yīng)用，從科學(xué)家的視角對它們的現(xiàn)狀、領(lǐng)域發(fā)展促進(jìn)及未來趨勢作了介紹，以期能引發(fā)讀者更深入的思考與關(guān)注。最后，提出了進(jìn)一步發(fā)展我國科學(xué)計(jì)算的若干建議。

關(guān)鍵詞：科學(xué)計(jì)算    高性能計(jì)算機(jī)    高性能計(jì)算應(yīng)用

科學(xué)計(jì)算是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理科學(xué)研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程技術(shù)中，常常遇到大量復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算。其復(fù)雜程度往往超越了人腦運(yùn)算的能力，必須使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。而計(jì)算科學(xué)的應(yīng)用水平已成為衡量國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一；其應(yīng)用的深入程度則反映出對科學(xué)問題探索與理解的深度。2013年10月，美國哈佛大學(xué)Martin Karplus教授、斯坦福大學(xué)Michael Levitt教授和南加州大學(xué)Arieh Warshel教授3位科學(xué)家獲得了諾貝爾化學(xué)獎，獲獎理由是“為復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型”。評選委員會在聲明中指出，對當(dāng)今的化學(xué)家而言，計(jì)算機(jī)已成為與試管同等重要的工具，計(jì)算機(jī)對生命現(xiàn)象的模擬已為化學(xué)大部分研究成果的取得立下了“汗馬功勞”。這無疑會進(jìn)一步加深各學(xué)科對計(jì)算模型和計(jì)算科學(xué)的認(rèn)識與應(yīng)用，并將引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展進(jìn)入下一波浪潮。

自20世紀(jì)中葉后，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，其計(jì)算能力不斷地得到提高。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，高性能計(jì)算在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域已逐漸成為不可或缺的重要手段之一。近年來，高度異構(gòu)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)高速互聯(lián)是現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的重要發(fā)展方向。而對于若干典型的高性能計(jì)算應(yīng)用，通訊與計(jì)算能力不匹配的矛盾較為突出[1, 2]。一般說來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理器和加速部件往往達(dá)到幾千億次至幾萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，而目前性能較好的內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬雖達(dá)到了200 Gb，仍然相對較慢。

超大規(guī)模科學(xué)計(jì)算的顯著特征是可計(jì)算問題的規(guī)模巨大，TOP500排名前十的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般擁有千萬個以上數(shù)量的處理器核心，按照單處理器核心可處理100萬個未知量來計(jì)，這意味著可計(jì)算處理具有1萬億個自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。即便如此，當(dāng)今世界上計(jì)算能力最強(qiáng)的這些高性能計(jì)算機(jī)在那些復(fù)雜度更高的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用對計(jì)算能力幾乎無止境的需求面前，也顯得杯水車薪[3, 4]。因此，應(yīng)用和計(jì)算科學(xué)家往往不得不采用簡化模型、對計(jì)算問題進(jìn)行預(yù)條件處理和采用混合精度等手段來降低計(jì)算量。從算法的角度來說，美國超算領(lǐng)域的著名數(shù)學(xué)算法專家Colella[5]于2004年提出了科學(xué)計(jì)算的7種算法模型，即結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格、快速傅立葉變換（FFT）、稠密線性代數(shù)（Dense Linear Algebra）、稀疏線性代數(shù)（Sparse Linear Algebra）、粒子動力學(xué)（Particles）、蒙特卡洛（Monte Carlo），被稱為“七個小矮人”。這7種算法模型對高性能計(jì)算機(jī)提出了不同方面和層次的需求，也基本覆蓋了常見高性能計(jì)算應(yīng)用。

高性能計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展和進(jìn)步需要數(shù)學(xué)、計(jì)算科學(xué)、應(yīng)用領(lǐng)域等學(xué)科的深度交叉融合。20世紀(jì)90年代中期[6, 7]，中國科學(xué)院軟件研究所、生物物理研究所、物理研究所以及北京科技大學(xué)、國家智能中心的科學(xué)家聯(lián)合攻關(guān)，在國產(chǎn)“曙光1000”并行計(jì)算機(jī)上，完成了多個應(yīng)用軟件，并在天然DNA的整體電子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算、激光晶體材料（LBO）電子態(tài)理論分析及廣義本征值并行計(jì)算等方面取得了令人矚目的高水平成果。生物物理學(xué)、物理學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)家設(shè)計(jì)出便于在“曙光1000”上實(shí)現(xiàn)的新方案，并在運(yùn)維人員的密切配合下，使其付諸實(shí)施。而計(jì)算科學(xué)家則針對“曙光1000”的特點(diǎn)，提出了“黑匣子并行”的思想和并行方案；同時，在理論上證明了若干收斂性定理，為保證計(jì)算結(jié)果的正確性及準(zhǔn)確預(yù)估迭代時間提供了可靠的理論保證。這是中國科學(xué)院非常具有代表性的多領(lǐng)域科學(xué)家聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮物理模型、算法和高性能計(jì)算技術(shù)多學(xué)科優(yōu)勢和深度交叉的力量，取得高水平成果的成功案例。后來，參與攻關(guān)的中國科學(xué)院物理研究所王鼎盛與中國科學(xué)院生物物理研究所陳潤生分別因在計(jì)算物理學(xué)與計(jì)算生物學(xué)上的成就而被增選為中國科學(xué)院院士。

近年來，我國科學(xué)家在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域又取得了新突破。在大氣科學(xué)的全球大氣動力學(xué)的高性能計(jì)算研究方面，由中國科學(xué)院軟件研究所楊超、清華大學(xué)薛巍和付昊桓領(lǐng)銜的應(yīng)用成果——“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬” [8]在2016年11月美國鹽湖城舉辦的“全球超級計(jì)算大會2016”（SC16）上一舉拿下高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎——“戈登·貝爾”獎②，實(shí)現(xiàn)了我國高性能計(jì)算應(yīng)用在此項(xiàng)大獎上零的突破，成為我國高性能計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的一個新的里程碑。該課題在應(yīng)用與算法2個層面實(shí)現(xiàn)了重大突破：①應(yīng)用層面。大氣動力過程的模擬速度較美國下一代大氣模擬系統(tǒng)AM3（GFDL開發(fā)）的計(jì)算效率提升近1個數(shù)量級。全隱式求解方法是未來超高分辨率大氣模式構(gòu)建的一種新選擇。②算法層面。實(shí)現(xiàn)目前世界上第一個可擴(kuò)展到千萬核，峰值效率超過6%的隱式求解器，它將模擬分辨率提升至500米以內(nèi)，并行度和峰值效率較2015年“戈登·貝爾”獎工作均提升一個數(shù)量級。該成果可應(yīng)用于全球高分辨率氣候模擬和高精細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報，并在航空、地學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性計(jì)算問題中有廣闊應(yīng)用前景。

多年來，中國科學(xué)院一直走在我國科學(xué)計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的前列。無論是應(yīng)用水平、計(jì)算規(guī)模還是成果顯示度均取得了長足的進(jìn)步。除了上述代表性成果，中國科學(xué)院的應(yīng)用成果還有許多。但因篇幅所限，以下僅選取幾個中國科學(xué)院典型傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，從科學(xué)家視角，談?wù)効茖W(xué)計(jì)算應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展和一些思考，以期窺一斑見全貌，更希望能引發(fā)讀者更深入的思考與關(guān)注。

3.1.1 現(xiàn)狀

全球氣候海洋模式是氣候系統(tǒng)模式的重要組成部分，也是氣候研究、氣候預(yù)測和預(yù)估不可或缺的工具。空間分辨率的持續(xù)增加是海洋環(huán)流模式發(fā)展的重要趨勢之一。全球高分辨率海洋模式的發(fā)展要追溯到20世紀(jì)90年代初，第一個全球25公里的海洋模式使用了美國地球物理流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（GFDL）發(fā)展的MOM模式。21世紀(jì)開始，隨著以日本的“地球模擬器”為代表的大型超算平臺的發(fā)展，國際上有20多家模式開發(fā)中心開始進(jìn)行全球渦分辨（10公里）模式的發(fā)展和研究，包括日本的JAMSTEC，美國的NCAR、NOAA GFDL、FSU，以及德國的MPI氣象研究所等。

我國國內(nèi)的高分辨率全球海洋模式多是引進(jìn)國外的模式，如在氣候模式應(yīng)用的MOM和POP模式，以及在預(yù)報系統(tǒng)中采用的HYCOM和NEMO模式。中國科學(xué)院大氣物理研究所在全球海洋模式發(fā)展方面進(jìn)行了長期攻關(guān)，所發(fā)展的渦分辨率全球海洋環(huán)流模式——LASG/IAP氣候系統(tǒng)海洋模式（LASG/ IAP Climate System Ocean Model，LICOM）[10]也是我國唯一自主發(fā)展的全球海洋環(huán)流模式。LICOM海洋模式的模擬結(jié)果參與了歷次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP）并被政府間氣候變化專門委員會（IPCC）引用，其最新版本的模式被國際同行認(rèn)為是對ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）模擬能力最好的模式之一。不僅如此，基于LICOM海洋模式成功地研制了水平分辨率為10公里的海洋環(huán)流模式，可顯式地模擬海洋中尺度渦旋。中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心王文浩等[11]采用MIC并行優(yōu)化LICOM，實(shí)現(xiàn)了較好的加速效果，加速比達(dá)到2.09。高分辨率的LICOM支撐了國家和中國科學(xué)院的多項(xiàng)大型專項(xiàng)，也應(yīng)用在國家海洋局環(huán)境預(yù)報中心等海洋業(yè)務(wù)中，為日常經(jīng)濟(jì)活動等提供了海洋環(huán)境保障。

3.1.2 對領(lǐng)域應(yīng)用的促進(jìn)

對歷年參加CMIP計(jì)劃模式中海洋分量模式分辨率的分析表明，氣候海洋模式最高分辨率的增長基本與計(jì)算機(jī)發(fā)展的摩爾定律相吻合，即模式的分辨率受限于計(jì)算能力。隨著高性能計(jì)算的發(fā)展，近期美國國家航空航天局（NASA）采用MITgcm海洋模式，進(jìn)行了全球2公里的試驗(yàn)。雖然試驗(yàn)受限于計(jì)算量和存儲量，僅僅運(yùn)行了1年左右，但其結(jié)果第一次實(shí)現(xiàn)了對全球次中尺度渦的垂直輸送的估算，發(fā)現(xiàn)了次中尺度渦在海洋上層熱量收支中的重要作用，對于海洋科學(xué)和氣候變化研究都有重要的意義。與此同時，國內(nèi)的多家海洋研究單位，也在著手嘗試聯(lián)合進(jìn)行此方面的研發(fā)，有逐步趕超國際的發(fā)展趨勢。

3.1.3 發(fā)展趨勢

隨著E超級計(jì)算平臺的研發(fā)，全球海洋模式的水平分辨率必然也會向公里級、百米級發(fā)展，可分辨種類更齊全的海洋運(yùn)動形式，如次中尺度渦、內(nèi)波等。在數(shù)值模式中分辨更多的海洋運(yùn)動形式也是海洋科學(xué)的重要發(fā)展趨勢，而國產(chǎn)計(jì)算系統(tǒng)的建設(shè)是發(fā)展我國自主研制超高分辨率海洋模式的絕佳契機(jī)。

3.2.1 現(xiàn)狀

為了應(yīng)對大氣污染問題，歐盟、美國、日本和中國均建立了依托高性能計(jì)算機(jī)的空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報中心。我國于2015年建立了國家空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)警裝置，包括峰值達(dá)130萬億次的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)并行環(huán)境系統(tǒng)、支撐保障系統(tǒng)。這一裝置成為我國近年來應(yīng)對大氣重污染事件的核心工具，有效支撐了我國大氣污染防治計(jì)劃的開展。

西班牙Martín等[12]采用OpenMP對STEM-Ⅱ（Sulphur Transport Eulerian Model 2）進(jìn)行了并行化，并在SGI O2000多處理器、富士通AP3000多計(jì)算機(jī)和PC集群上開展了測試，結(jié)果表明并行代碼的模式程序可以顯著減小模式運(yùn)行所需的CPU計(jì)算時間。德國Lieber和Wolke[13]發(fā)展了一種能有效解決化學(xué)傳輸模式負(fù)載不均衡問題的改進(jìn)耦合方案，有效提高了化學(xué)傳輸模式的并行計(jì)算效率。朱云等[14]研究了CMAQ模型在64位Linux操作系統(tǒng)上不同CPU核心數(shù)目并行計(jì)算模擬耗時以及結(jié)果的差異情況。研究結(jié)果表明，并行計(jì)算能大幅縮短CMAQ模擬耗時，以16個CPU核心并行處理為性價比最佳值；多于16個核心并行處理時，隨核心數(shù)量的增加模型性能提升的趨勢減緩。王自發(fā)等[15]基于高性能計(jì)算集群建立了具備多模式集合預(yù)報功能的空氣質(zhì)量多模式集成預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，有效支撐了北京奧運(yùn)會的空氣質(zhì)量保障，推動了我國空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警能力的快速提升。Wang等[16]針對空氣質(zhì)量模式中計(jì)算耗時大的氣相化學(xué)模塊，設(shè)計(jì)了化學(xué)動力學(xué)模擬的新框架，以適應(yīng)下一代處理器中單一指令多數(shù)據(jù)（SIMD）技術(shù)的使用，通過矢量化實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度級并行化，可使空氣質(zhì)量預(yù)報模式實(shí)現(xiàn)3倍以上的加速計(jì)算。Wang等[17]利用“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的原型系統(tǒng)“硅立方”首次實(shí)現(xiàn)了中國區(qū)域5公里水平分辨率多年的大氣污染高精度模擬。

3.2.2 對領(lǐng)域應(yīng)用的促進(jìn)

基于高性能計(jì)算的城市、區(qū)域和國家空氣質(zhì)量預(yù)報雖然已取得了長足的進(jìn)步并具備了較強(qiáng)的預(yù)報預(yù)警能力，但全球空氣質(zhì)量的預(yù)報預(yù)警能力仍然非常有限且不確定性大。一方面，由于空氣質(zhì)量數(shù)值模擬與預(yù)報涉及非常復(fù)雜的多尺度大氣物理化學(xué)過程以及毫秒級大氣化學(xué)反應(yīng)和微物理過程的模擬，計(jì)算代價高昂，全球空氣質(zhì)量模擬預(yù)報仍停留在較粗的空間分辨率（>25公里），難以合理表征很多次網(wǎng)格尺度過程（如機(jī)動車、電廠等排放過程以及局地環(huán)流過程）。目前，尚未有國家實(shí)現(xiàn)高分辨率（＜10公里）的全球空氣質(zhì)量預(yù)報。另一方面，受計(jì)算資源約束，現(xiàn)有全球模式對很多物理化學(xué)過程都進(jìn)行大幅簡化處理，同時排放源、氣象場等輸入數(shù)據(jù)不確定性大，進(jìn)一步加大了全球空氣質(zhì)量預(yù)報的難度和不確定性。因此，我國空氣質(zhì)量預(yù)報能力提升亟待超級計(jì)算資源和技術(shù)的支撐。

3.2.3 發(fā)展趨勢

未來，隨著我國超算能力的不斷增強(qiáng)以及國產(chǎn)計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)，給我國乃至全球空氣質(zhì)量預(yù)報、預(yù)警提升提供了巨大的機(jī)會。目前，我國在建的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”將研發(fā)全國3公里、重點(diǎn)地區(qū)1公里水平分辨率的區(qū)域高精度大氣污染模式，建成后將大幅提升我國區(qū)域大氣污染模擬預(yù)報能力。此外，依托國產(chǎn)計(jì)算系統(tǒng)也正在研制高分辨率全球空氣質(zhì)量智能化網(wǎng)格預(yù)報系統(tǒng)，必將大幅提升我國在全球空氣質(zhì)量預(yù)報上技術(shù)能力和研究水平。

3.3.1 現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來，基于計(jì)算的藥物發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)（Computational Drug Discovery and Design，CDDD），也稱之為計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)（Computer-Assisted Drug Design，CADD），經(jīng)歷了顯著提升。隨著分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的快速發(fā)展，大量重要疾病相關(guān)的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和生物功能得以確定。同時，隨著高性能計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，計(jì)算方法在藥物發(fā)現(xiàn)和分子模擬中的應(yīng)用不斷增加。量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動力學(xué)以及這些方法的組合已廣泛用于疾病靶點(diǎn)及藥物開發(fā)研究。

近10年，基于國產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，中國科學(xué)家在生物大分子分子動力學(xué)模擬研究領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展，尤其是中國科學(xué)院上海藥物研究所的（以下簡稱“上海藥物所”）藥物靶標(biāo)動態(tài)行為研究取得了系列創(chuàng)新成果，闡明了眾多藥物靶標(biāo)功能及藥物作用機(jī)制。目前，基于國產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)，上海藥物所研究團(tuán)隊(duì)開展了40萬個原子體系的全原子十微秒尺度的分子動力學(xué)模擬，其水平不落后于世界最高水平。但在中小規(guī)模（~5萬個原子）的全原子分子動力學(xué)模擬中，國外的超級計(jì)算機(jī)，如Anton[18]已可以支撐十毫秒級分子動力學(xué)模擬，而我國現(xiàn)有超級計(jì)算機(jī)只能支撐百微秒級分子動力學(xué)模擬。

同時，作為藥物分子設(shè)計(jì)重要手段之一的高通量虛擬篩選（High Throughput Virtual Screening，HTVS）技術(shù)，亦稱為并行分子對接（Parallel Molecular Docking）技術(shù)的發(fā)展，使得藥物分子設(shè)計(jì)的速度、成功率均得到了大幅提高。但高通量虛擬篩選計(jì)算需要消耗大量的高性能計(jì)算資源，計(jì)算開銷非常昂貴。

3.3.2 對領(lǐng)域應(yīng)用的促進(jìn)

傳統(tǒng)上，在制藥行業(yè)中上市新藥是非常困難的過程。在美國，一種新藥的上市往往需花費(fèi)超過10億美元并耗費(fèi)10—17年的時間。基于生物大分子（如蛋白質(zhì)和核酸）三維結(jié)構(gòu)的一系列CDDD方法，如高通量虛擬篩選方法，極大地提高了藥物發(fā)現(xiàn)的效率。根據(jù)美國政府報告，由于CDDD技術(shù)應(yīng)用，每種藥物平均開發(fā)成本減少了約1.3億美元，研發(fā)時間縮短了約1年。

目前，國際各大制藥企業(yè)均開始重視高性能計(jì)算在藥物研發(fā)中的應(yīng)用，采用自建高性能計(jì)算或與高性能計(jì)算服務(wù)商及超級計(jì)算中心合作的方式來解決創(chuàng)新藥物研發(fā)進(jìn)程緩慢的問題。特別是D. E. Shaw Research通過招募數(shù)百名數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等專業(yè)以及計(jì)算機(jī)軟硬件方面的優(yōu)秀人才，開發(fā)了蛋白質(zhì)模擬專用機(jī)Anton[18]和Anton 2[19]，多次獲得“戈登·貝爾”獎；為其專用機(jī)發(fā)展的分子動力學(xué)模擬Desmond程序已經(jīng)成為藥物研發(fā)軟件Schrodinger（薛定諤）的核心組件之一，是該軟件實(shí)現(xiàn)高精度自由能計(jì)算FEP的主要模塊。2016年，美國500強(qiáng)企業(yè)吉利德科學(xué)公司（Gilead Sciences）投資1.2億美金購買Nimbus制藥的治療肝病的藥物，該事件成為一時的熱點(diǎn)，被美國著名媒體《福布斯》雜志報道。Nimbus公司是美國薛定諤公司技術(shù)參股公司，該藥物完全是用Schrodinger軟件設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證總耗時僅1年時間，時間之短令業(yè)界震驚。

“十二五”期間，上海藥物所依托我國自主研發(fā)的“天河二號”和“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)開發(fā)了大規(guī)模并行的分子動力學(xué)模擬軟件、虛擬藥物篩選方法及軟件，實(shí)現(xiàn)了最高156萬核并行，并行效率達(dá)85%；在針對腫瘤、糖尿病、乙肝等重大疾病靶標(biāo)蛋白的藥物研發(fā)中獲得了顯著成果，多個化合物完成技術(shù)轉(zhuǎn)讓，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.3 發(fā)展趨勢

新發(fā)突發(fā)大規(guī)模感染性疾病和抗感染藥物耐藥問題嚴(yán)重威脅人類生命與健康。應(yīng)對新發(fā)突發(fā)大規(guī)模感染性疾病，基本上無現(xiàn)成藥物可供選用。因此，快速實(shí)現(xiàn)從無到有的突破在應(yīng)急應(yīng)對中顯得無比重要，而采用超級計(jì)算機(jī)藥物虛擬篩選技術(shù)可在短時間內(nèi)獲得候選化合物，提供緊急應(yīng)對方案。對抗感染藥物耐藥問題，只有采用新策略和新機(jī)制開展新類型抗感染藥物研究，方有可能緩解病原微生物對傳統(tǒng)抗感染藥物的耐受難題。與病菌耐藥相關(guān)的蛋白以及途徑種類繁多，且在結(jié)構(gòu)水平上的耐藥機(jī)制尚未完全闡明。因此，對細(xì)菌蛋白耐藥機(jī)制進(jìn)行研究十分必要，而這就需要對生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行研究。近2年內(nèi)的技術(shù)突破使超大復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)研究成為可能，高分辨冷凍電鏡技術(shù)的突破則成為重要的推動手段之一。科學(xué)家利用各種技術(shù)獲得蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)后，采用分子動力學(xué)模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能研究和自由能微擾方法進(jìn)行小分子藥物設(shè)計(jì)改造。冷凍電鏡三維重構(gòu)、分子動力學(xué)模擬均需要耗費(fèi)大量的高性能計(jì)算機(jī)時，而隨著國產(chǎn)超級計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用，將會大幅減少藥物設(shè)計(jì)對實(shí)驗(yàn)的依賴并顯著提高藥物研發(fā)效率。

3.4.1 現(xiàn)狀

高能物理的研究對象是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)及基本相互作用。量子色動力學(xué)（QCD）和電弱統(tǒng)一理論（EW）通稱為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，是目前高能物理研究的基本理論體系。高能物理的前沿重要課題有強(qiáng)相互作用中的夸克禁閉、標(biāo)準(zhǔn)模型精確檢驗(yàn)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的尋找；與之相關(guān)的重大物理問題有強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用低能特性、宇宙早期演化、中微子性質(zhì)和中微子質(zhì)量起源、暗物質(zhì)和暗能量等。

高性能計(jì)算在高能物理中發(fā)揮著日益重要的作用，應(yīng)用范圍包括海量的高能物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析（數(shù)據(jù)密集型）、對撞機(jī)和探測器的計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算密集型），以及以格點(diǎn)量子色動力學(xué)（格點(diǎn)QCD）為代表的高能物理理論計(jì)算（計(jì)算密集型）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高能物理中的高性能計(jì)算已經(jīng)成為與傳統(tǒng)的高能物理實(shí)驗(yàn)、理論研究并列的第三大分支；其中格點(diǎn)QCD以其高強(qiáng)度、高可擴(kuò)展性、高并行效率等特點(diǎn)，長期成為高性能科學(xué)計(jì)算的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。曾于1988年、1998年和2006年3次獲得“戈登·貝爾”獎，2018年也入圍了該獎項(xiàng)的候選名單。

歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)歷來十分重視格點(diǎn)QCD研究并保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。目前，美國格點(diǎn)QCD研究每年消耗的計(jì)算資源為幾百兆CPU核小時，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到目前的幾十至一百倍。格點(diǎn)QCD已被美國列為其未來E級計(jì)算機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用之一，并組織研究隊(duì)伍在物理課題、算法研究和程序開發(fā)等方面開展研究。

我國的格點(diǎn)QCD研究也有長期積累，目前正在組織相關(guān)團(tuán)隊(duì)基于國內(nèi)的超級計(jì)算系統(tǒng)調(diào)試和開發(fā)格點(diǎn)QCD的應(yīng)用軟件，期望在未來參與到該領(lǐng)域E計(jì)算應(yīng)用發(fā)展中。

3.4.2 對領(lǐng)域應(yīng)用的促進(jìn)

格點(diǎn)QCD的研究手段是進(jìn)行大規(guī)模的Monte Carlo數(shù)值模擬研究，屬于典型的高性能科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。其對于高能物理中的重大科學(xué)問題研究有不可替代的作用，直接服務(wù)于未來高能物理的重大物理發(fā)現(xiàn)。在標(biāo)準(zhǔn)模型精確檢驗(yàn)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理尋找方面，格點(diǎn)QCD可以提供標(biāo)準(zhǔn)模型基本參數(shù)（如夸克質(zhì)量、強(qiáng)耦合常數(shù)等）的最精確的理論結(jié)果；可以從第一性原理提供對新物理敏感的強(qiáng)子矩陣元的精確、可靠的理論輸入。在夸克禁閉等強(qiáng)相互作用低能特性方面，格點(diǎn)QCD可以對新型強(qiáng)子態(tài)、強(qiáng)子-強(qiáng)子相互作用以及強(qiáng)子結(jié)構(gòu)等問題給出模型無關(guān)的物理結(jié)果。

格點(diǎn)QCD研究成果的物理意義和國際地位直接決定于對統(tǒng)計(jì)誤差和各種系統(tǒng)誤差的控制水平，而誤差大小直接決定于計(jì)算規(guī)模和計(jì)算資源。格點(diǎn)QCD的系統(tǒng)誤差主要來自四維時空格點(diǎn)體系的物理大小、格點(diǎn)細(xì)密程度以及夸克質(zhì)量參數(shù)的選取。目前國際上格點(diǎn)QCD研究的最大的格點(diǎn)體系大小為1283×256，計(jì)算規(guī)模大約十萬或數(shù)十萬核；如果未來規(guī)模提高到2563×512，則計(jì)算規(guī)模將增大到數(shù)百萬核，必須使用E級計(jì)算。正所謂“計(jì)算決定未來”，計(jì)算能力和資源對高能物理未來的重要發(fā)現(xiàn)和理論突破的意義是不言而喻的。

3.4.3 發(fā)展趨勢

美國面向格點(diǎn)QCD研究的未來E級計(jì)算應(yīng)用早已開始布局，國產(chǎn)高性能計(jì)算系統(tǒng)將為我國的格點(diǎn)QCD研究直接參與國際競爭提供十分重要的計(jì)算支撐。北京正負(fù)電子對撞機(jī)和北京譜儀（BEPCII/BESIII）是國際上工作在粲夸克能區(qū)獨(dú)一無二的高亮度的實(shí)驗(yàn)裝置。在輕強(qiáng)子性質(zhì)研究，尤其是在新型強(qiáng)子態(tài)（如膠球、混雜態(tài)和XYZ粒子）研究方面有潛在的重大物理發(fā)現(xiàn)，但需要理論研究的支持，其中格點(diǎn)QCD的研究必不可少。

我國格點(diǎn)QCD研究將基于國產(chǎn)高性能計(jì)算系統(tǒng)開展與BESIII物理密切相關(guān)的研究，為實(shí)驗(yàn)研究提供精確可靠的物理判據(jù)，以期產(chǎn)生重要物理成果。核子（質(zhì)子和中子）是宇宙可見物質(zhì)的主要組成，但我們對其結(jié)構(gòu)并不十分清楚，我國籌建的中國高能電子-離子對撞機(jī)（EicC）和美國的高能電子-離子對撞機(jī)（EIC）及JLab的重要目標(biāo)之一是研究核子結(jié)構(gòu)。中國的格點(diǎn)QCD研究將針對核子質(zhì)量、自旋核子三維結(jié)構(gòu)以及對新物理敏感的強(qiáng)子矩陣元進(jìn)行具有原創(chuàng)性的科學(xué)研究。同時，通過大規(guī)模的科學(xué)計(jì)算實(shí)踐，我國科學(xué)家可為格點(diǎn)QCD研究的計(jì)算方案、算法和軟件作出貢獻(xiàn)。

本文摘抄自《中國科學(xué)院院刊》2019年第6期

由金鐘、陸忠華、李會元、遲學(xué)斌、孫家昶等撰寫

（未完待續(xù)）