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超级计算与物理学超级计算与物理学【摘要】当前，超级计算已成为继理论和实验之后科学研究的第三大研究方法，已经渗透到科学研究与工程设计的各个层面，成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段。超级计算的核心是超级计算机，从1976年世界上首台商用巨型机Cray-1问世，超级计算机发展迅速，截止2013年底，性能提升超过100，000，000倍。其中，物理学研究成为超级计算发展的重要驱动力，在高能物理与核物理、天体物理、大气物理、流体力学、地球物理、材料物理等领域诸多前沿技术研究都需要超级计算的支撑，而同时由于这些需求的快速增长也对超级计算机计算性能、互联网络带宽、数据访存(I/O)和海量存储等能力提出了挑战。“天河一号”等异构体系架构超级计算机的研制成功，拓展了超级计算机发展的空间，也为物理学开展更大规模、更精确研究提供了更强有力的平台。【关键词】超级计算物理学研究1计算科学的重要性日益凸显当前，超级计算已成为继理论和实验之后科学研究的第三大研究方法，已经渗透到科学研究与工程设计的各个层面，成为促进重大科学发现和科技进步的重要手段。在一些新兴的学科，如新材料新能源技术和生物技术领域，超级计算机已成为科学研究的必备工具。同时，超级计算也越来越多地渗透到能源开发、高端装备制造等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。金融、政府信息化、企业等更广泛的领域对超级计算的需求也迅猛增长。现今超级计算是国家科学技术创新发展的关键要素，是体现国家科学技术核心竞争力的重要标志，是支撑国家综合国力持续提升的关键领域之一。同时，应用领域的快速扩展，也对超级计算发展提出了更大需求和更高要求。尤其当代科技对计算的要求越来越高，应用领域要达到全物理、全系统、三维、高分辨、高逼真的建模能力，这一要求已远远超过目前的计算能力。这是一个巨大的挑战，带来了一系列世界性难题，形成了当代科学计算的学科前沿。正是由于需求的牵引和计算科学自身发展的推动，各发达国家都大力发展超级计算。我国也在《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》等关系国家战略发展方向的重要文件都指出，要大力发展新一代信息技术，突破制约高端信息技术产业发展的瓶颈，掌握超级计算、云计算、大数据等核心技术，以应用需求为导向，重视和加强创新，开发支撑和带动产业发展的技术和关键产品，促进产业改造和技术升级。2超级计算发展迅速及各国发展战略超级计算的核心是超级计算机，超级计算机并没有明确定义，通常指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑，具有很强的计算和处理数据的能力，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。1976年世界上首台商用巨型机Cray-1问世，成为超级计算机发展起步的标志。超级计算机发展迅速，截止2013年底，短短37年的时间，性能提升超过100，000，000倍，Cray-1浮点计算性能只有160Mflops(现在普通电脑的性能已达到1，000Mflops量级)，而2013年排名世界第一的“天河二号”超级计算机峰值计算速度每秒达5.49亿亿次(54，900，000，000，000Mflops)、持续计算速度每秒3.39亿亿次[1]。从技术发展角度来说，单个CPU性能提升基本满足“摩尔定律”，也就是每18个月左右CPU性能提升1倍，但是超级计算机性能的提升远高于高CPU性能提升的速度，基本按指数方式在提升(参看图1)。超级计算机之所以能获得如此卓越性能和发展速度，主要得益于并行技术的支撑[2]。世界上许多国家对计算能力的建设和计算科学的发展都给予了高度重视，不少国家都制定了国家层面的计划[3，4，5]。(1)美国：从1970年代起就实施了一系列推动计算科学发展的国家计划，包括“战略计算机计划”(SCP)、“高性能计算和通讯计划”(HPCC)、“加速战略计算计划”(ASCI)、“先进计算设施伙伴计划”(PACI)等。2005年，美国总统信息技术咨询委员会(PITAC)的报告《计算科学：确保美国的竞争力》中指出，“二十一世纪最伟大的科学突破将是计算科学所获得的成就”，建议“联邦政府、学术界和工业界必须共同制定一个数十年的发展蓝图，在科学和工程学科方面推动计算科学的发展。”并且警告说：“美国现正处在关键时刻，如果我们还不高瞻远瞩和承担自己的义务，长此以往，国家的科学领导地位、经济竞争力和国家安全后果不堪设想。”2006年，NSF提出了到2010年建设千万亿次计算规模的国家超级计算环境[6]。(2)欧盟：欧盟“欧洲高性能计算任务组(HET―HighPerformanceComputinginEuropeTaskforce)”在2007年1月发布了欧洲在高性能计算领域的政策框架建议[7]，提出在欧洲建立一个可持续的科学研究超级计算基础