超级计算机为防震减灾提供了全新的科技支撑

发布时间:2021-10-12 20:06:12 来源:中国地震局公共服务司(法规司)
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中国地震局地球物理研究所  张东宁

  上世纪七十年代后期开始的改革开放,带来了我国经济、科技活动的全面复苏,矿产资源勘探、灾害性天气的中长期预报、防御和减轻地震等自然灾害的损失、国防科学技术等很多领域,都对大型计算机数值计算能力的提升提出了强烈需求。

  我国计算机科学工作者通过艰苦卓绝的努力,在1983年成功研制出银河一号超级计算机,并成功应用于石油勘探、中长期天气预报和国防科技领域,为国家经济社会发展和国防科技做出突破性贡献。而防震减灾领域的科技人员也一直紧盯国际防震减灾科技的前沿,抓住机遇,在这台运行于长沙的超级计算机上,开展了地下结构成像和地震震源性质的数值模拟计算研究,取得了一批重要理论研究和应用研究的成果。

  在银河一号超级计算机的基础上,我国又独立自主研发出银河二号、三号等系列超级计算机,打破了西方国家对中国的计算机技术封锁。后来研制出的神威超级计算机,使我国成为继美国之后第二个可以独立研制千万亿次超级计算机的国家。根据中央电视台播出的《创新一线——中国超级计算机》专题节目介绍,二十世纪九十年来以来,超级计算机技术快速发展,应用范围不断扩展。在政治、经济、科技、国防等国家战略性领域,超级计算机已经成为不可替代的国之重器。

  从1946年电子计算机发明至今70多年的时间里,人类的计算工具不仅经历了从计算尺到计算机的演变,而且,随着超级计算机的出现,再次革新了人类的计算方式。

  超级计算机是由很多计算单元组成在一起的,具有很强的计算和数据处理能力。其计算特点是高计算速度和大存储容量,配备多种外部硬件设备和高性能的并行计算软件系统。超级计算机的理论峰值计算速度,主要由中央处理器(CPU)的数量和型号所确定。“神威·太湖之光”的峰值计算速度已经达到每秒12.5亿亿次;“天河二号”超级计算机的峰值计算速度为每秒5.49亿亿次。

  我国研制的“天河二号”超级计算机、“神威·太湖之光”超级计算机先后问鼎世界计算机排名榜。“神威·太湖之光” 超级计算机全部使用国产CPU处理器,中国是继美国、日本之后全球第三个采用自主CPU建设千万亿超级计算机的国家(引自:https://www.chinastor.com/hpc/0621311192016.html)。并且,中国已经是世界上拥有超级计算机最多的国家。

  如何让超级计算机中上万个,甚至几万个中央处理器发挥最大的计算效能,也是超级计算机设计制造者和使用者的重要任务——设计和使用一个好的算法至关重要。算法是对将一个具体问题在计算机上模拟、仿真执行过程的具体描述,是通过计算机语言解决问题的一系列指令。超级计算机能够显著提升计算能力,关键的软件技术就是将早期计算机使用的串行算法转为并行计算方式。

  超级计算机的并行计算方式,就是将一个数值计算问题,或大型的数据处理任务,通过计算机的通信功能同时分配给很多的中央处理器来承担,而设计合理的并行计算过程还要保证同时进行的任务通过可靠有效的通信方式,解决计算问题必要的相互协调,相互联系,从而显著提升计算效率。

  我国飞速发展的超级计算机硬件技术和软件、算法技术,也为防震减灾事业的发展提供了数值计算技术的保障。在防震减灾科技支撑工作中的大型工程结构抗震分析,和地震孕育过程地下地质结构的动力学分析中经常使用的矩阵计算的并行化处理,就是一个具有代表性的并行化技术研究方向。相关领域科学家通常采用的并行方法,就是将一个大型的矩阵通过分块技术,分解成可以降低运算量的低阶矩阵,并将这些任务同时分配给多个处理器来进行计算,实现提升并行计算速度,减少计算时间的目标;大型方程组的求解,也同样是典型的并行计算方法研究方向。科学家也主要依靠降阶、分块等方法来提高超级计算机的计算速度。在超级计算机上实现高效率的并行计算,一项重要技术就是通过发展异步并行算法,来减少计算过程中各个处理器和存储空间的相互通信,和必要的同步约束所耗费的计算时间。

  青藏高原东部边缘的云南、四川、宁夏、甘肃和青海地处强烈地震频发的南北地震带上,如果在计算机上建立一个数值模型来研究这一地震带强烈地震的孕育过程和强震之间的相互影响,模型通常由很多较小尺度的单元来构成。这种模型的长宽尺度应该在1000~5000千米,模型中单个单元的长宽尺度在1米~50千米。南北地震带的地震主要发生在平均厚度50千米的地壳内部,再适当考虑在地壳底部施加动力作用的岩石圈上地幔,模型的厚度大约为100千米。建立这样一个由海量单元和节点构成的地震活动数值模型,其存储量是非常巨大的,而基于超级计算机的超大规模存储能力,科学家可以建立含有千万量级甚至更多节点的模型。这样,在超级计算机上就可以对青藏高原是如何从海洋演化成世界屋脊的地球动力学问题、发生在汶川的大地震是如何孕育发生的地震学问题等开展仿真研究。

  不断发展的图像并行处理技术,可以通过对高分辨率卫星遥感影像数字化数据进行超级计算机的并行化计算和数据处理,进行卫星影像几何校正、滤波和图像增强,或进行更高级的人工智能分析,对卫星拍摄的地震前后震中地区遥感影像进行对比分析,达到快速判断地震后房屋建筑、桥梁、水利工程的倒塌情况,进行山体滑坡、泥石流等次生灾害分析,有效指导抗震救灾工作。超级计算机技术的应用,并行计算和数据处理技术的发展,可以为抗震救灾工作争取宝贵的响应时间。

  同样,随着经济社会发展,接近真实情况的高层建筑结构抗震性能分析已经成为工程结构抗震专家的新挑战。传统的高层结构抗震分析因受计算能力的限制,无法采用更接近真实情况的三维模型开展仿真研究。随着超级计算机的发展,阻碍三维模型研究的模型数据规模大,计算量大的问题迎刃而解,科学家可以通过建立复杂的三维模型,同时输入不同分量的真实地震波,研究高层建筑在更接近真实情况地震波影响下的响应,服务于抗震建筑结构设计。

  中央电视台的《逐梦天河》专题片介绍了我国的水电工程技术专家如何利用飞速发展的计算机技术为水电工程的建设提供有力保障的案例。建设在金沙江上的超级工程白鹤滩水电站,就在青藏高原的东南边缘,青藏高原的快速隆升和向周边的挤出,造就了白鹤滩水电站场址下部岩石异常复杂的地质构造特征。复杂的地质特征和强烈地震活动都对这座超级水电站的安全建设和运行提出了挑战。科学家一项重要工作,就是分析大坝主要建筑材料—混凝土在外界动态作用下的性能,来检验是否达到工程抗震设计要求。科学家将混凝土样本的指标数据输入大坝的数值模型中,利用超级计算机卓越的计算性能进行大坝抗震模拟计算。我国水利工程抗震技术专家、中国工程院院士陈厚群介绍,可以通过计算模拟在假设地震的作用下,大坝结构的地震响应。一个40秒钟地震过程的大坝地震响应过程模拟,要通过求解20万步的几百万个未知量的联立方程来实现,这样大规模的计算,在超级计算机时代到来之前,是无法想象的。在超级计算机上,现在已经可以将计算任务分配在200个“小计算机”上进行计算,来实现大坝地震安全的模拟分析。

  在国家超级计算无锡中心,科研团队借助“神威·太湖之光”超级计算机开展了“非线性大地震模拟”这一前沿性应用研究。这一研究模拟的计算机模型网格,已经可以达到几米的分辨尺度,这在以往是无法想象的。这个模型可以开展假设地震在震中地区造成破坏程度的预测研究。“神威·太湖之光”超级计算机“非线性大地震模拟”工具在2017年全球超算大会获得了更注重高性能计算应用对世界贡献的“戈登·贝尔奖”。

  根据中国科学院大学中国科学院计算地球动力学重点实验室张怀教授介绍,我国已经从无到有,形成了比较完整的超大规模计算体系和人才队伍建设,并拥有了一批完全自主知识产权的软件系统,在计算规模和分辨率上,可以达到与国际同类模式比肩,部分指标稍优的水平。在超级计算机编程技术上,改变了传统超大规模并行计算程序的编程模式,实现了编程工作针对具体研究问题自动生成软件和模型,省时省力。随着新理论和新技术的飞速发展,大数据、云计算、人工智能和超级计算机硬件系统将共同为防震减灾科技支撑提供全新的支撑基础架构。

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