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这项国际大奖凭啥花落中国

作者:本报记者 赵秀红 发布时间:2017.11.21
中国教育报

11月20日,清华大学,刚从美国回京的地学系副教授付昊桓率领他的研究团队接受记者的采访。

3天前,在美国丹佛举行的全球超级计算大会上,付昊桓和团队完成的“基于‘神威·太湖之光’非线性地震模拟”获得国际高性能计算应用领域最高奖“戈登·贝尔”奖,该奖项被誉为“超级计算应用领域的诺贝尔奖”。

一项国际领先水平的研究

“我在刚开始做这个项目时,就有人问我能否预报地震。”付昊桓说,“这对我和其他科学家来说,还是个梦想。”

付昊桓解释说,要同时预测地震“时、空、强”三要素(即时间、空间、强度),非常难。而且我们对地球的了解太少了,目前对地球的研究只能到地面以下一万米,不过是地球半径的六百分之一。

既然无法实现预测,研究的价值在哪里?也许一位“戈登·贝尔”奖评委的一句话切中肯綮:通过模拟地震,加强我们对地球结构的了解,比我们从真实地震中去了解要好得多。

付昊桓解释说,基于“神威·太湖之光”超级计算机的强大计算能力,项目团队成功设计实现了高可扩展性的非线性地震模拟工具,模拟基于断层动力学破裂的震源产生过程、基于塑性波动模型的地震波传播过程。

在超级计算领域,不管是美国的“泰坦”,还是中国的“神威·太湖之光”,普遍存在算得快但带宽受限进而影响数据传输的问题。付昊桓说,我们以精巧的算法设计解决科学计算中普遍存在的“内存带宽受限”问题,扩展至全机超千万核取得超过15 Pflops(每秒1亿5千万亿次浮点运算)的持续性能,以实时压缩技术突破内存容量及内存带宽的限制,将性能进一步提升到18 Pflops。该工具充分发挥国产处理器在存储、计算资源等方面的优势,也是国际上首次实现如此大规模下的高分辨率、高频率的非线性可塑性地震模拟。

“一个模拟的网格点,我们的空间分辨率可以模拟8米×8米×8米,而国际上类似的模拟数据只能达到20米。”团队的学生成员负责人、清华计算系博士生何聪辉说。

“尽管我们无法预测地震的时、空、强三要素,但可以基于地震过程情景模拟的震害预测,比如,地点已知、时间无限制,尽可能精确地预测强度及所造成的震害分布。”付昊桓说,这个灾害的定量描述结果可以用在建筑设计、灾害救治等领域,比如,美国加州依此来确定建筑的定点保险额度。

“戈登·贝尔”奖评委会主席、美国国家航空航天局科学家萨伊尼说,中国在超级计算应用领域已经占据世界领先地位。而在去年,他的评语是“先进行列之一”。

大机器解决大问题

在付昊桓团队的办公室里,有一条标语:“计算无极限,挑战无止境。”研究团队也数次提到我国自主研制的“神威·太湖之光”超级计算机。

超级计算对国防民生具有重大战略意义。这台由科技部、江苏省、无锡市共投入18亿元、我国完全自主国产处理器构建的超级计算机,在今年的全球超级计算大会上,以超强的计算能力,卫冕世界第一。它每秒9.3亿亿次的持续计算能力,是个快到令人咂舌的超级计算高手。

更难得的是,在这次大会上,基于“神威·太湖之光”系统的两项全机应用“全球气候模式的高性能模拟”“非线性大地震模拟”入围“戈登·贝尔”奖提名,占据该奖2017年提名总数的2/3,这两个项目都是付昊桓团队的研究项目。

这是“神威·太湖之光”超级计算机的四连冠,也是我国国产超算系统在世界超级计算机中的十连冠。

“大机器解决大问题,探索国际前沿的科学与工程问题,是顶尖超算系统的核心用途,也代表了我国在硬件方面的自主创新能力能达到的高度。”付昊桓在谈到感悟时说到“两个目标”:第一个目标是,以应用软件将世界第一的计算力转化为科学及工程问题的突破与创新。第二个目标是,以超算中心为平台,再将顶尖的科学转化为一流的服务,以此为基础,才能去探索地震、气候变化等关乎全人类的复杂问题,实现对人民生活及经济发展的有效辐射。

清华大学负责“神威·太湖之光”的运营。据国家超级计算无锡中心主任、清华大学教授杨广文介绍,清华大学去年与无锡签订合作协议,在仅仅一年时间里,已经支持20个领域100多个涉及材料、生命、船舶、国防等方面的应用项目。“怎么运用超级计算解决重大科技问题?这是挑战,我们已经联合国内外优秀团队,已经完成17个重大项目的应用。”杨广文说。

学科交叉的难得范例

清华大学理学院院长、地学系主任宫鹏说,这是个地学和计算机相结合的难得范例,十分珍贵。这位从伯克利大学回来的科学家开玩笑说,搞计算机学生的收入,都比一个搞地学的教师收入高。搞计算机的喜欢去跟金融专业合作,很少跟地学专业合作。这个团队难能可贵的是,愿意去面对地球村的共同难题,去解决一些无价的科学问题。

跨学科研究,已经成为取得重大科学发现和产生引领性原创成果重大突破的方式。据统计,近百年300个诺贝尔奖成果中,一半来源于学科交叉。

两个不太容易实现交叉的学科是怎样擦出火花的?清华大学科研院副院长邓宁解释说,这样一个重大成果不是地学学科和计算机学科之间简单的合作,不是一方提需求、另一方满足这么简单的,而是不同学科之间真正的深度交叉融合,比如,我们计算机系的博士到地球系统科学系做教师。

邓宁说,从体制机制上支撑跨学科交叉研究本身是大学治理的一个世界性难题。国外的大学曾经因为学校体制不利于跨学科交叉研究而出现过教授将校长告上法庭的事件。由此可以看出,创建一个有利于跨学科交叉研究的体制机制有多么难。

“大多数重大需求的解决不是一个学科可以实现的,比如,清华核研院世界领先的高温气冷堆技术、李路明教授团队研制成功的脑起搏器技术,这些都是跨学科交叉研究产生的重大成果。”邓宁说,清华把推动跨学科交叉研究作为科研体制机制改革的四大关键事项之一。比如,建立起跨学科交叉研究的完整组织体系,设立“交叉学科研究生学位项目”,制定校内教师兼职相关管理办法,支持教师开展跨学科交叉研究。

据悉,基于“神威·太湖之光”非线性地震模拟团队共计12人,有清华大学地球系统科学系、计算机系师生5人,还有山东大学、南方科技大学、中国科学技术大学、国家并行计算机工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心等单位共同完成。

这个团队除了清华大学教授杨广文、南方科技大学陈晓非院士、山东大学教授刘卫国,其他成员多为80后、90后,这个年轻的团队也充分体现了学科交叉。团队负责人付昊桓出生于1982年,自称是个“异类”,学的计算机,去搞地学研究;而团队中的学生、最年轻的成员何聪辉出生于1992年,是清华计算机系博士生。

“我们有面向全球共享的自信、跨学科跨地域的流畅持续合作,非常清楚各自需求,而不是一锤子买卖。”宫鹏说,这个项目的合作不仅是跨学科,也是跨国际合作,跟南加州地震中心等机构都有合作。

本报北京11月20日电

《中国教育报》2017年11月21日第1版 

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