高效能低成本多尺度离散模拟超级计算应用系统

葛蔚 曹凝

（中国科学院过程工程研究所 北京 100190）（中国科学院计划财务局 北京 100864）

1 科学背景

随着现代科学技术的飞速发展，传统的科学实验和理论研究方法已不能完全满足当代科学研究与技术进步的需求，计算机模拟作为20世纪发展起来的新型科研手段被视为现代科学技术进步的“加速器”而受到越来越多的重视。大型计算机模拟是以计算能力为基础，依据研究目标的理论模型，运用数值计算方法，在计算机上进行虚拟实验。其特点是费用低、周期短、方便灵活、应用广泛，甚至可以模拟人类现代技术无法实现的科学实验，如星系演化和宇宙形成过程等。因此，超级计算系统已成为世界诸强竞相研制的国之重器。

超级计算系统有通用和专用之分。前者能较均衡地满足各领域的计算需求，而后者是为特定算法专门优化设计的。主频和集成度等元器件技术的进步能整体提升各种计算机对各种算法的计算速度。但近年来，以集成电路的线宽为标志，人类正在逼近当前技术的极限，因此速度的提升已越来越多地依靠多核并行、异构和流处理等需要与软件和算法更紧密配合的途径。另外，随着性能的飞速提升，个人计算机已进入了很多原本需要超级计算的领域，使超级计算的需求逐渐集中于若干专门领域。因此，过分追求通用，会使超级计算系统如同自行车与跑车混行的高速公路，在效率和经济性上都面临挑战。而如果对各种算法分别研制专用系统，计算速度虽高，但开发、生产、运行维护和应用成本同样提高，也缺乏普遍意义。……