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中国网/中国发展门户新闻科学计算是指应用计算机解决科学研究和工程技术中遇到的数学计算题。现代科学研究和工程常常涉及许多复杂的数学计算。它们的复杂性往往超过了人脑的计算能力，必须使用计算机来解决它们。计算科学的应用水平已成为衡量国家科技发展水平的重要指标之一，其应用的深度体现了对科学题探索和认识的深度。2013年10月，哈佛大学的MartinKarplus教授、斯坦福大学的MichaelLevitt教授和南加州大学的ArieWarshel教授三位科学家发表了一篇题为“创建复杂化学系统的多尺度模型”的论文。诺贝尔化学。“评选委员会在一份声明中表示，计算机对于当今的化学家来说已经变得和一样重要，计算机模拟生物现象对化学领域的大部分研究成果做出了‘重大贡献’。”指出有。毫无疑，这将进一步加深对计算模型和计算科学在各个领域的理解和应用，引领该领域的下一波发展。

高性能计算应用程序必须解决非常异构的挑战。

20世纪中叶以来，高性能计算机的发展取得了长足的进步，计算能力不断提高。特别是进入21世纪以来，高性能计算逐渐成为基础科学研究领域必不可少的重要工具，处于重大科学发现的前沿。近年来，内部网络的高度异构、高速互连成为现代高性能计算机体系结构的重要发展方向。在一些典型的高性能计算应用中，通信和计算功能之间的冲突变得更加明显。一般来说，现代计算机的处理器和加速组件经常执行数千亿到数万亿的浮点运算，但当今性能优越的内部互连网络的带宽是有限的，虽然达到了200Gb的宽度，但仍然相对较慢。

超大规模科学计算的一个特点就是可计算题的规模巨大。TOP500中排名前10位的超级计算机系统一般都配备了1000万个以上的处理器核心，一个处理器核心可以处理100个以上的计算任务。10,000,000个未知数，这意味着可以计算具有1万亿个自由度的复杂系统。然而，这些拥有当今世界上最强大计算能力的高性能计算机，在面对更复杂的科学计算应用中对计算能力近乎无限的需求时却没什么用处。因此，应用和计算科学家通常不得不依靠简化模型、计算题的预处理以及使用混合精度来降低计算复杂性。从算法角度看，美国超级计算领域著名数学算法专家Colella于2004年发表了科学计算的七种算法模型结构化网格、非结构化网格、快速傅里叶变换、稠密线性代数、稀疏线性代数、粒子力学与蒙特卡罗方法并称为“七个小矮人”。这七种算法模型代表了高性能计算不同方面和层次的需求，基本覆盖了常见的高性能计算应用。

我国高性能计算应用成果显着

中科院科学家合作高性能计算应用取得显著成果

高性能计算应用的发展和进步需要数学、计算科学、应用学科等学科的深度交叉融合。20世纪90年代中期，北京科技大学软件所、生物物理研究所、物理研究所和中科院国家信息中心的科学家共同攻克重要题，完成多项应用。开发了国产并行计算机“曙光1000”软件，在天然DNA全电子结构理论计算、激光晶体材料电子态理论分析、广义特征值并行计算等方面取得了高水平成果等等。来自生物物理学、物理学和其他应用领域的科学家设计了可以在黎明1000上轻松实施的新解决方案，并与运维人员密切合作将其付诸实践。针对“黎明1000”的特点，计算科学家提出了“黑盒并行”的思想和并行解决方案，同时对保证计算结果正确性和正确性的一些收敛定理进行了理论上证明。估算迭代时间并提供可靠的理论保证。它是由中科院多学科的科学家组成的具有高度代表性的群体，发挥跨学科优势，物理模型、算法和高性能计算技术的深度交叉，共同攻关重大题，是实现高水平计算的成功范例。表现。水平结果。随后，参与研究的中科院物理研究所王定胜、中科院生物物理研究所陈润生因其成就当选为中科院院士。分别是计算物理学和计算生物学。

中国高性能计算应用取得突破获“戈登贝尔”

近年来，中国科学家在高性能计算应用领域取得新进展。关于大气科学中的全大气动力学高性能计算研究，中科院软件所杨超老师、薛伟老师以及11月在美国盐湖城召开的“2016全超级计算大会”2016年，“清华大学仿真”付浩欢先生获得第——届高性能计算应用领域最高项“戈登贝尔”。我国高性能计算应用在该领域的这一突破，标志着我国高性能计算应用发展的又一个里程碑。该主题在应用和算法两个层面取得了重大进展。应用层面。大气动力学过程的模拟速度比美国下一代大气模拟系统AM3的计算效率快了近一个数量级。全隐式方法是未来超高分辨率大气模型构建的新选择。算法层面。全首个可扩展到千万核、峰值效率超过6%的隐式求解器。获作品提升了一个数量级，仿真分辨率提升至500米以内，并行度和峰值效率高于.成果可应用于全高分辨率气候模拟和高精度数值天气预报，在航空、地科学、工程等领域的疑难计算题上具有广阔的应用前景。

我国典型常规科学计算应用现状及发展

中科院多年来一直走在我国科学计算应用发展的前列。在应用水平、计算规模、结果展示等方面都取得了长足的进步。除了上面列出的代表性成果外，中科院还有很多其他应用成果。但由于篇幅所限，我将重点围绕一些具有中科院特色的传统科技计算应用领域，讨论科技计算应用的现状和发展，以及我的思考，从科学家的角度来看。我希望这能让读者有一个整体的了解，并帮助读者加深理解。

大气科学全气候和海洋模型

现在的情况

全气候和海洋模式是气候系统模式的重要组成部分，是气候研究、气候预报和预报的重要工具。空间分辨率的不断提高是海洋环流模型发展的主要趋势之一。高分辨率全海洋模型的发展可以追溯到20世纪90年代初期，第一个使用美国地物理流体动力学实验室开发的MOM模型的全25公里海洋模型。进入21世纪以来，随着以日本“地模拟器”为代表的大型超级计算的发展，日本海洋地科学技术研究机构（JAMSTEC）、美国海洋研究机构等20多个组织-地科学与技术（JAMSTEC）模型开发中心已开始全涡旋解析模型的开发和研究。NCAR、NOAAGFDL、FSU、德国MPI气象研究所等

日本国内的高分辨率全海洋模式大多是进口模式，例如用于气候模式的MOM和POP模式，以及用于预报系统的HYCOM和NEMO模式。中国科学院大气物理研究所长期对全海洋模式的发展进行研究，开发的涡分辨率全海洋环流模式——LASG/IAP气候系统海洋模式也是唯一的全海洋环流模式模型。我国自主研发的机型。LICOM海洋模式模拟结果参加了历届耦合模式比较计划并被政府间气候变化专门委员会引用，其最新版本的模式已被同行评为模拟表现之一。成为模特之一对于ENSO。不仅如此，我们在LICOM海洋模型的基础上成功开发了水平分辨率为10公里的海洋环流模型，可以明确模拟海洋中的中尺度涡流。中国科学院计算机网络信息中心王文浩及其同事利用MIC对LICOM进行并行优化，取得了良好的加速效果，加速率为2.09。高分辨率LICOM支持国家和中科院多项大型专项项目，也应用于国家海洋局环境预报中心等海洋作业，为日常经济提供海洋环境保护。活动。

推动现场应用

经过多年对参与CMIP计划的模式的海洋成分模式分辨率的分析，我们发现气候海洋模式最高分辨率的提高本质上符合计算机发展的摩尔定律，即模式分辨率的提高已被证明有局限性。通过计算能力。随着高性能计算的进步，NASA最近使用MITgcm海洋模型进行了2公里的全测试。虽然这个实验受到计算量和守恒量的，只运行了一年左右，但其结果首次实现了对全亚中尺度涡旋和表层海洋亚中尺度涡流垂直传输的估计，发现了的热平衡。它在海洋科学和气候变化研究中发挥着重要作用。与此同时，国内众多海洋研究机构也在尝试在该领域开展联合研发，正在逐步追赶发展趋势。

发展趋势

随着E超算的发展，全海洋模型的水平分辨率必然向千米级、百米级、亚尺度涡流、内波等发展。利用数值模型阐明更多形式的海洋运动也是海洋科学的重要发展趋势，而国产计算系统的建设是推进我国自主发展超高分辨率海洋模型的重大机遇。

大气科学界空气质量预测

现在的情况

为了解决空气污染题，欧盟、美国、日本和中国都建立了基于高性能计算机的数值空气质量预测中心。我国于2015年建立了国家空气质量预报预警装置。它包括峰值130万亿次的高性能计算机系统、空气质量数值预测模型系统、空气质量数值预测模型系统、并行环境系统和支撑系统。该装置已成为日本近年来应对空气污染事件的核心工具，有力支撑了日本空气污染防治计划的制定。

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