一支2B铅笔，从1.2米高的书桌上掉到地上，会摔断吗？一片正在太平洋上空的雨云，多久才飘来上海下场及时雨？一辆轿车，以超过每小时120公里的速度在高速路上撞车，到底有多严重的后果？……如果有人“眼见为实”之前，就拍着胸脯言之凿凿，许多人会以为遭遇了“神仙”。不过，记者在上海浦东却找到了一位让人信服的“神算子”，掐指能算的本领远近闻名，还曾两度跻身全球十大“神算”，吸引着全国各地的科学团队慕名前来求解“应用题”。它就是位于张江高新区的上海超级计算中心。
初识上海“神算”
郭守敬路585号，是上海“神算”的家。这幢弧形设计的三层办公楼，建造时是2000年上海市一号重大工程，如今在500强企业林立的张江，已经不起眼。走进大门，从挑高玻璃屋顶直泻下来的阳光，让人眼前一亮；绕过大厅，千余平方米的全透明机房里，密密匝匝站满 “黑甲勇士”，更让人为之一震。
每名“黑甲勇士”就是一座两三米高的机柜，每座机柜内有5个刀片箱，每个箱内整齐插着10个抽屉大小的“刀片”，每个“刀片”上面田字格式排列4个CPU，每个CPU集中了4个高速运转的核。１个“刀片箱”相当于160台普通电脑，1名“黑甲勇士”相当于800台普通电脑，总共67名“黑甲勇士”手拉手，组成了上海超级计算中心最神奇的“神奇大脑”——曙光5000A高性能计算机，名叫“魔方”。6600个CPU，1650个计算节点，100TB内存，700TB储存，两套互联网络，峰值运算速度230万亿次……这些生硬的数据，是“神奇大脑”的标准关键词，曾为它赢得2008年世界最快计算机的第十名，以及“亚洲第一”头衔。
2000年，上海成立全国首个面向公众开放的超级计算中心，为满足市气象局等少数高端用户的海量计算需求，请来“神威-I”超级计算机。“神威-I”当年“计算如神”：眨下眼睛的一秒钟里，就能完成3840亿次运算，8小时算出全球各地未来10天的天气状况。不到5年，“神威”爽快让出“神算宝座”，由当时国内运算速度最快，每秒计算10万亿次的超级计算机——曙光4000A执掌“上海第一脑”。2006年起，曙光4000A整日满负荷运转，各地用户必须“等位”。2009年6月，上海“神算”掌门人再次让贤，“魔方”让上海的高端计算能力在全国率先迈入百万亿次时代，极大缓解商用大飞机、新材料、生物医药、重大装备、新能源以及电动车等高新产业发展中常常遭遇的“计算饥渴”。
上海超算中心二楼是超算历史博物馆。我国最具代表性的四台自主研发的超级计算机在此“四世同堂”——我国首台亿次巨型机“银河-Ⅰ”，首台千亿次计算机“神威-Ⅰ”，以及首台十万亿次的“曙光4000A”和百万亿次的“魔方”。其中，“银河-Ⅰ”是我国超级计算机的“始祖”，研制于1979年启动，1983年完成。“银河-Ⅰ”不仅是一个巨大的科技成就，也像是一件工艺品：每块电路板背后密密麻麻的焊点，都是手工一个个焊上去的；机柜里密布如发的数万根连线，都是靠人手一根根接通的……
“神算神功”何在
超级计算机到底如何施展“神算神功”？上海超级计算中心首席科学计算工程师王涛告诉记者，拥有近3万个芯片核的“魔方”，犹如将3万台个人计算机集中在一起同时工作。他指着超级计算机机柜上一排排闪烁的红点说：“每一个红点代表一个计算节点，背后有4个CPU、16个芯片核正在埋头计算。”除了高度集成的计算机硬件外，超级计算机还应用了一种十分巧妙的运算方法——并行计算，也就是把一道题目分成几部分，先分别同时计算，最后汇总结果。例如，如果用普通计算机求解1到100的总和，通常的算法是从1依次加到100来算数；而在超级计算机的“大脑”里，则可以将这100个数字分成四组，在同一时间内每组分别求解，最后将四组数字的和相加。如此一来，理论上的运算时间就能节省四分之三。
算得快+算得巧，使得超级计算机成为世界上计算速度最快、处理能力最强的计算机，能完成许多超乎想象的计算作业，解决一些特别复杂的科学工程挑战性问题，应用领域覆盖新材料、生物信息、制药、天文、气象、物理、化学等基础研究领域和航空、汽车、钢铁、船舶、核能、石油、重大市政工程等多个工业经济领域。从“神威-I”,到曙光4000A，再到“魔方”，上海超算中心已经运行了大量的商用应用和科学计算软件，获得良好的应用性能，在气象预报、地质勘探、生物医药、基因研究、飞机制造、汽车设计、新材料研究等领域已有大量成功应用和科研成果，大大提高上海地区的工程技术、汽车、飞机、船舶等制造行业的设计能力。
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例如，在超级计算机的帮助下，五层楼高的世界最大盾构穿江过海、破土辟沙，将原本需要坐车又坐船，耗费整整一天才能来回的崇明岛，变得近在眼前。超级计算机的神奇功劳就是：在隧道未动一土一石之前，实现三维可视化的数值仿真施工，盾构轴线离中心线误差仅几毫米。据介绍，长江口内的复杂地质条件和工程环境使隧道施工面临不少难题，国际上这类高难度重大工程普遍采用“数值仿真”技术，为具体施工阶段提供理论依据和技术支持，而该技术极大地依赖着超级计算能力，我国在超级计算机对工程的数值仿真方面刚刚起步。
传统意义上的工程建模是建立同比例缩小的物理模型，在该模型上进行各项实验，验证工程设计的可行性，需要耗费大量人力物力。目前，这种实验已从单凭人为经验，发展到一维、二维、三维的数据模型验证。上海超算中心副主任李根国博士告诉记者，全三维、可视化的模型计算牵涉无以计数的海量数据，须同时考虑材料特性、结构变形和各类作用力的并行关系，只能靠超级计算机来完成。
承担该工程的是当时正在服役的“曙光4000A”。这台拥有2128个中央处理器（CPU）的超级计算机，单个CPU的最高运算速度就达每秒48亿次。为了模拟崇明越江隧道施工，埋头苦干了10万个CPU/小时，相当于一台家用电脑24小时不间断运行4167天，即11.4年。最终，在整个工程开始之前，用户就在电脑显示屏上清楚看到了施工结果：立体化的盾构和土层表面都铺满了数字化的小网格，两个15.2米直径的盾构机分别在这条双管越江隧道中穿行，盾构头一前一后相距600米，两个隧洞间仅相隔二三十米；五六个需要“重点关照”的关节点被清晰标注，并建议采取加注高强度水泥等措施加固管壁，以确保安全；就连隧道遭遇失火、爆炸等紧急情况下，通风系统的风力、烟雾扩散的排出路径，以及人员的撤离情景也都被“预告”出来。
“神算”就在你身边
十万亿次、百万亿次、千万亿次、万万亿次……在今年最新出炉的第41届全球高性能计算机500强(TOP500)排行榜中，中国造“天河二号”荣登榜首，成为全球最快的超级计算机。这是继2010年11月中国国防科技大学研制的“天河一号”摘得最快计算机后，中国超级计算机再次在“世界最快俱乐部”中登顶，标志着中国位列超级计算机研制的领先行列。随着超级计算机在技术上不断“顶天”，其应用也在不断“立地”——通过技术和市场不断渗透到百姓身边。
本市闵行区曾发生过一起“离奇”交通事故：一辆摩托车突然越过道路中线，与相向而行的一辆轿车撞个正着，摩托车上两人一死一伤。轿车司机只看见死者落在车侧，伤者落在车头附近，但无法分辨究竟谁是摩托司机。伤者称，自己当时坐在摩托后座。在缺乏有效目击证人情况下，如何通过现场采集的数据，精确而快速地还原事故发生全过程？正当案件扑朔迷离时，上海超级计算机被请出来协助交警，根据死伤者各自落点、受伤部位、车辆碰撞点等多项数据，很快建立了三维仿真数学模型，计算出当时碰撞速度约为每小时45公里，并模拟出摩托上驾驶员和乘员从撞击、弹出到落地的运动轨迹，最终确定了唯一一种与现场相吻合的情况。伤者面对数字铁证，他不得不承认自己才是驾驶摩托车的肇事者。
原来，再小的交通事故三维仿真也牵涉汽车工程学、人体解剖学、结构力学、运动学等多学科领域，需要处理海量数据，由超级计算机数十个处理器并行计算。上海超算中心与上海交大联合承担的“上海市安全事故防范数字化公共平台及其应用”，应用国内高性能计算首次实现对上海等9省市43例典型交通事故的全三维、数字化重构，为疑难事故鉴定提供了科学依据。该项目目前已建立车型和假人两大数据库，前者包括国内常见的数十种车型的三维模型，能反映扭曲、震动等细节；后者则包括符合国人形体特征的“数字假人”模型。只要提供事故人员的生理参数，几秒之内就能生成一个惟妙惟肖的“人”。假人模型“五脏俱全”，可详细设定脊椎在第几节断裂，判断哪一次脑部撞击真正致命。有了这些人车数模，再考虑天气、路况等因素，超级计算机能在几十分钟到几小时内重演不同复杂程度的交通事故。
应用无止境
作为超级计算领域的专家，上海超级计算中心副主任李根国博士坦言，衡量一个国家在超级计算领域的实力，除了峰值计算速度，更重要的是看应用能力和广泛程度。上海超算中心累积支撑3000多个自主创新项目，服务了2500多位科学家和研究者，依托该中心的支撑，诞生了1000多篇世界一流论文、数百项工业新产品和数十个国家重大工程项目。其中，包括大飞机的气动部件、新一代国产车型、国内多个核电站的设计以及一批重要药物的先导化合物。不过，比起美国、日本、法国等超级计算机强国，差距不小。
一般而言，一个课题需要超级计算机提供的计算资源越多，研发成果也越能代表先进水平。在发达国家，拥有数万个CPU的超级计算机全力以赴在运算一个课题，包括模拟分子动力学模型，做新药开发等。例如，位于美国橡树岭国家实验室的“美洲豹”超级计算机峰值运算次数达到500万亿次，几乎是上海“魔方”的两倍。它的15万个芯片核常常集中计算纳米材料、蛋白质折叠等领域中的一个科研项目。而在我国，目前用CPU最多的研究项目也仅用到上千个，通常是二三十个科研项目同时分享一台超级计算机。即使在运算任务最密集的上海超级计算中心，也多执行计算规模较小的作业，1000个核以下的任务占80%。“相形之下，‘魔方’承接的任务总量虽多，但任务小而散，与‘美洲豹’差了至少15倍。这说明中外超级计算机运算的科研项目，无论从规模还是深度上，都存在着巨大差距。”
“在研制生产超级计算机上，中国无疑已是大国，但在应用环节，仍需不懈努力。”李根国说，在美国超算计算应用最多的三大领域分别是科学研究、金融计算和互联网通讯。在中国，使用超级计算机的大用户主要集中于游戏产业、通信信息产业、科学研究以及气象服务。特别是一些新型计算服务领域，例如金融计算、农业预测等，仍是国内超算的空白地带。据统计，全球最快的500台超级计算机中，用于金融计算的超级电脑达53台，占10.6%；用于信息服务的超级电脑达49台，占9.8%。
当前，上海超级计算中心正充分利用现有资源，以及良好的应用软件基础，率先进入国内未曾涉足的金融、信息服务等领域，开展“云计算”项目。上海超算中心研发部经理姜恺告诉记者，上海超算已与加拿大一家超算中心签约合作，学习其先进的金融计算模式，形成覆盖全国的“计算云”，可为银行设计理财产品，模拟各个“篮子”里放些什么基金、如何组合投资、怎样确定一个合理的预期收益率等，并能帮助银行从海量的交易记录中，挖掘出有价值的金融消费规律。同时，还先后成立了船舶动力研发分中心、核电分中心、电气装备分中心，与西安电子科技大学校级高性能计算机中心联合成立上海超算西电分中心等，旨在积极开拓超级计算在工业领域的实际应用，不断满足各类型科学、工程、企业甚至许多中小企业用户的计算需求。
