2018超级计算机研究报告（AMiner发布）(4)

随着信息技术的迅速发展，我国的油气勘探理论及应用技术都有了很大的发展，现在的石油地质勘探技术主要有物探技术、钻井技术及测井技术，物探技术从地震领域进入石油勘探领域后，在石油勘探中占据了很重要的地位，像数字、反射及三维地震技术都曾为油气的发现及储存数量上都做出了很大的贡献，现在高分辨率的地震技术、思维地震的监测技术、油藏地震的描述技术及三维叠前的深度偏移技术等新技术的发展，提高了新勘探领域的成功，并为老勘探领域注入了活力。最后，现代信息录井技术的应用不仅仅依靠了井位测量、钻进地质设计、岩体成像、磁共振、专家系统等技术提高了自身的精确度，也为石油勘探开发的中现代信息技术的打下了基础，同时融入了信息技术的录井工作还进入了信息化层面，让物探、钻井等实现了信息集成，建立完整的录井信息系统，使之为石油勘探开发注入了新的活力，并打破了原有的学科界限，使得勘探与开发进一步融为一体。从２０００年至今的１０多年间，周心怀带着他的勘探团队和研究人员不断探索和创新地质认识和勘探技术，在渤海湾发现了３４个油气田，获得石油可采储量近７亿吨，相当于为中国的老百姓每人贡献０．５吨的原油。

开发效率低：随着应用复杂度的增加，越来越少开发人员对应用能有全局性的深度理解。据悉，超多维将逐步搭建起以核心技术优势为基石，完善的智能计算视觉生态体系（包括裸眼3d、vr、ar、视觉信息模糊计算、ai等），加速开发和布局以深度学习、图形图像计算、模糊逻辑计算等核心技术为支撑，具有创新性的个人消费类市场互联网应用及行业垂直领域的应用。城市污水处理工艺目前仍在应用的有一级处理、二级处理、深度处理，但普遍流行的是以传统活性污泥法为核心的二级处理。

2.3.2 生物医药与智能医疗

超级计算机在探究基因奥秘、蛋白质结构、生物信息以及药物设计等方面已经成为不可或缺的工具，生物医药与智能医疗也就成为了活跃度较高的应用领域之一。依托高性能计算、云计算、大数据及人工智能等技术的高度发展，生物医药、智能医疗技术必将推动医疗事业的繁荣发展，使国民健康行业走向真正意义上的智能化。

1、缩短产品改进周期，降低研发成本。期管理及相应的标准体系，缩短研发周期，降低研发成本和风险。这样做的目的是显著提高虚拟样机分析软件的仿真效率，缩短研发周期，降低研发成本。

智能医疗（Intelligent Medical）通过打造医疗信息平台、智能诊断系统等，结合大数据、高性能计算和人工智能三大关键技术，结合循证医学和经验医学两大模型，将人工智能技术应用于医疗行业，核心算法融合一系列人工智能算法，白日辅助医生看病，夜间把最新的病例和手册等数据传输回超级计算机中心，进行机器学习，学习与诊断相互结合，显著提高临床疾病的诊断效率和精度。

案例：基因数据处理分析。“天河一号”支持华大基因开展生物基因处理及数据存储：①开发了基于 GPU 的高效基因测序处理软件，并利用该软件进行了 3000 株水稻的基因组重测序分析，短序列比对程序相对于之前应用的 CPU 版本速度提高 15 倍，且输出格式不需要再次进行转换，降低了 I/O 消耗；②构建 Hadoop 平台，将原来华大拥有的 100 个节点规模的计算平台扩展至数千节点，大幅度缩短项目的计算时间；③构建华大基因北方基因库，基因数据规模已经超过 1PB；④开发完成了基于天河系统的群体基因型高分辨率分析软件，使用“天河一号”的 Gaea 软件 15 个小时便能完类 64X 的 WGS 数据所有分析过程。

图 8 全基因组测序成果

美国能源部和美国国家癌症研究院的联合项目 CANDLE（CANcer Distributed Learning

Environment）旨在实现面向疾病精准医疗职能的 E 级深度学习和模拟。目前此项目正在评估顶级社区开发的深度学习系统（Argonne 的 Theta，Oak Ridge 的 Summit 早期访问系统和LLNL 的 Sierra 早期访问系统），并在此基础上解决癌症的三个问题：RAS 途径问题——是了解在 30％的癌症中存在的 RAS/RAF 途径中关键蛋白质相互作用的分子基础；药物反应问题——开发用于药物反应的预测模型，可用于优化临床前药物筛查并推动针对癌症患者的精确医学治疗；治疗策略问题——自动分析和提取数百万癌症患者记录中的信息，以确定一系列患者生活方式、环境因素、癌症类型和医疗保健系统的最佳癌症治疗策略9。

由 ORNL（橡树岭国家实验室）计算生物学家 Dan Jacobson 领导的一个研究小组利用ORNL 的 Summit 发现植物细胞壁的关键调节基因，这些基因可被操作以增强生物燃料和生物产品。该团队的研究结果发表于 2018 年 5 月的《Frontiers in Energy Research》（能源研究前沿）。

ORNL 用时也与美国退伍军人事务部之间展开战略合作项目，该项目的目标是将临床和基因组数据与机器学习和 Summit 的先进架构相结合，以更好地了解导致心血管疾病、前列腺癌、自杀心理、阿尔茨海默病、药物成瘾等疾病的遗传因素10。

2.3.3 工程仿真与航天器研发

（5） 更加强大的自动化网格处理能力 应用有限元技术求解问题过程中, 由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否， 近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高， 但在有些方面却一直没有得到改进。结构力学求解器是一个面向教师、学生以及工程技术人员的计算机辅助分析计算软件，其求解内容包括了二维平面结构（体系）的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、包络图、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学课程中所涉及的一系列问题，全部采用精确算法给出精确解答。结构力学求解器（structural mechanics solver，简称sm solver）是一个面向教师、学生以及工程技术人员的计算机辅助分析计算软件，其求解内容包括了二维平面结构（体系）的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学课程中所涉及的一系列问题，全部采用精确算法给出精确解答。

案例：在航空发动机研制中，气动稳定性是最重要的技术标准之一，需使用工程仿真技术对气压机以及涡轮的效率、涡轮叶片冷却效果等进行分析模拟，通过编制包含稳态及动态过程在内的程序，输入初始参数后，计算得到发动机各截面的气动参数和性能参数，透过航空发动机复杂的设计，直接模拟和观察到其工作特性和结构特性，进行结构设计优化。为达到航空发动机研发的精度要求，需要进行 500-3000 万网格以上的精细计算。通过超级计算机，可避免航空发动机台架试验的难度和危险性，将设计效果验证深度、广度增加，产品设计周期缩短（单个部件的分析时间可从一周缩短为 5 小时），大幅降低设计及试验验证成本，快速提升航空发动机整体创新水平。

图 9 某型航空发动机内部三维流动工程仿真效果图

基于“神威·太湖之光”的超级计算机，对“天宫一号”飞行器两舱简化外形（长度 10余米、横截面直径接近 3.5 米）陨落飞行（H=65km、62km、Ma=13）绕流状态进行并行模拟，使用 16,384 个处理器在 20 天内便完成常规需要 12 个月的计算任务，计算结果与风洞试验结果吻合较好，为“天宫一号”飞行试验提供重要数据支持。

图 10 并行模拟“天宫一号”两舱绕流状态

2.3.4 天气预报与雾霾预警

数值天气预报（Numerical Weather Prediction）是用数学方法构建方程，将气象数据和边界参数导入方程求解，从而预测大气变化和状态的科学。业务流程大致为：气象数据收集和预处理、数值天气预报流程、综合数值天气预报、天气学与统计学等输出预报结果。它是典型的计算密集型应用（Computing-Intensive），要求建立一个较好的反映预报时段的（短期的、中期的）数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法；其次，由于数值天气预报要利用各种手段（常规观测、雷达观测、船舶观测、卫星观测等）获取气象资料， 因此必须恰当地对气象资料做调整、处理和客观分析；再者，由于数值天气预报的计算数据量非常之大，很难用手工或小型计算机去完成，因此，开展数值天气预报必须依赖超级计算机极强的计算能力。

省重污染天气应急指挥部办公室组织省环境应急与重污染天气预警中心、环境监测中心站、省气象台成立监测预报组，主要负责实施环境空气质量监测和气象观测，开展重污染天气预报，向指挥部提供监测、预报数据信息，为预警、响应提供决策依据。加强防灾减灾体系建设，提高气象、地质、地震灾害监测预报预警能力，提升巨灾条件下的能源、通信、交通、重要基础设施等保障能力和安全运行水平。在总结去年汛期地质灾害气象预报经验的基础上，提前协调沟通，发挥技术优势和传媒作用，和气象、电视台等部门充分合作，及时启动汛期地质灾害气象等级预警预报工作，共发布地质灾害气象预警预报信息4期，为我市防灾减灾起到了一定的积极作用。

图 11 2015 年 4 月 2 日 08 时~3 日 08 时暴雨过程模式预报图

图 12 2015 年 4 月 2 日 08 时-4 月 3 日 08 时暴雨过程实况图

2016 年，“神威·太湖之光”的“千万亿次八百五十万核可扩展非静力大气动力全隐求解器”，由中科院软件所、清华大学、北京师范大学等单位共同研发。项目发展了适应异构众核体架构的隐式求解算法与优化技术，使模拟的性能达到 0.8 亿亿次，与相同优化的显式求解算法相比计算速度提升近两个数量级，可支持 500 米大气动力模拟，是国际上领先的研究成果，将其嵌入到大气模式中，对我国解决高精度气象问题具有重要作用。

图 13 大气模拟中不同 kernel 的数据划分和任务调度

2.3.5 海洋环境工程

从海洋环流数值模拟到空气质量实时监测，再到海洋灾害预报等，高性能计算正在以强大计算力帮助人类实现对环境生态的深入洞察，实现海洋环境数值预报的精确性，为我国海洋资源开发以及海洋环境保护提供技术保障。

广州市香港科大霍英东研究院建立的 CMOMS 数值模拟系统，对中国近海环流、生态及碳循环动力系统的调控机理等前沿科学问题进行数值模拟，并在气候变化、全球变暖的背景下，对未来 100 年西太平洋-中国海区域的碳收支、循环及其变异等进行数值预测，为应对中国海域及其附近海域的气候变化提供参考与支持。

基于我国超级计算机“神威太湖之光”的非线性大地震模拟应用获奖，这个非线性大地震模拟是怎么回事，和我们的生活又有什么关系呢。而且，在“神威·太湖之光”上运行的获奖应用“全球大气非静力云分辨模拟” 有望在未来应用于全球高分辨率气候模拟和高精细数值天气预报。因 ９ - sｓｃｏｒｅ １以看到，对冬季西太平洋遥相关型、冬季第 模态的 此，由基于冬季 和 指标时间系数概率密度 ２ bs sｓｃｏｒｅ时间变化，大多数模式经验正交函数分解的时间系 函数的百分位评估都可以看出，模式对冬季第 模 ２数 值附近出现概率较观测大，表明模式模拟上述 态的模拟较好，其次是西太平洋遥相关型，对第 模 ０ ３模态弱变化出现频次偏多， 冬季第 模态时 态模拟较差。

图 14 利用“神威·太湖之光“模拟的全球（a）与区域（b）重要海浪高度分布

2.3.6 建筑信息模型

建筑信息模型（Building Information Modeling，简称 BIM）是一项将建筑与信息相结合的综合技术，通过高性能计算机系统对建筑过程中产生的主要数据进行存储处理，可对建筑的规划、设计、施工、运营管理的全生命周期进行信息化管理，优化设计、控制成本、协助管理、提高工程效率与质量，为推动智慧城市的建设与发展起到重要作用。

图 15 远程可视化建模

案例：天津滨海新区天河建筑云产业园的建设就是以天河 BIM 云平台为基础的工程项 目。天河 BIM 云平台以工程仿真系统、大数据平台和云平台为依托，为产业园建设提供四类服务：

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