HPC在近物所

文/齐记 高笑菲 杨琼 周庆国

HPC在近物所

文/齐记1高笑菲1杨琼1周庆国2

那些“做不起”及“做不了”的实验，高性能计算都能帮助我们实现。

随着科学技术的不断发展，科学研究领域变得更加广阔,研究内容包罗万象,研究方法也日新月异。但庞大的实验数据、复杂的计算方法、高昂的实验成本、普通计算机低效的计算速度，都让科研人员伤透了脑筋。与此同时，随着计算机科学与技术的发展，使得科学计算技术成为与理论、实验具有同等地位的当代科学研究的三大支柱。越来越多的科学研究和重大工程中的关键问题都必须依靠大规模、高性能的计算来完成。为了解决那些“做不起”及“做不了”的实验，提高计算机的计算性能迫在眉睫，高性能计算势在必行。

中国科学院近代物理研究所以重离子核物理基础研究和相关领域的交叉研究为主要学科方向，相应发展加速器物理与技术及核技术，拥有兰州重离子加速器国家实验室，在我国核物理界具有较高地位。中科院近物所超算中心现有深腾7000G超级计算集群一套，胖节点集群一套，数据库集群一套（在建），专用工作站集群一套以及终端集群一套。其中深腾7000G超级计算集群是CPU/GPU混合集群，由联想公司购进（图1），其余均是自建；图2是自建胖节点集群和在建的数据库集群。总的计算能力达到了250Tflops。

目前，超算中心主要服务于兰州加速器国家实验室，已经开发和正在开发的应用主要包括以下几个方面：1. 加速器束流模拟研究；2.离子束与物质相互作用研究；3. 重离子束与物质相互作用后的缺陷扩散研究；4. 材料的力学性质研究；5. 加速器模拟研究； 7.流体力学模拟研究；6. 分子动力学研究； 8. 系统生物学研究等。下面简要介绍这些应用：

图1 近物所深腾7000G超算集群

图2 左边是已建好的24核胖节点集群， 右边是在建的数据库集群和专用工作站集群。

加速器束流模拟研究

加速器束流是经过加速器加速了的一束带电粒子流，从加速器加速以后，具有很高的能量。我们的束流模拟以粒子模拟为基础，能模拟束流在不同加速器中的运行情况，为科研人员提供了直观的认识。更为重要的是，束流的模拟为调节加速器不同部件的参数提供了有力依据。

离子束与物质相互作用研究

从加速器打出来的离子束可以与物质相互作用，这种相互作用会影响到物质的各种性质。我们的相互作用程序是基于GPU的，目前二维模拟的粒子数目已经可达10^9。基本上接近于宏观物体。

重离子束与物质相互作用后的缺陷扩散研究

当重离子束与物质相互作用后，必然会在被轰击物质造成一定缺陷（或者说破坏）。这些缺陷在束流打过物质之后仍然存在，最终影响物质本身。关于缺陷扩散，我们用了两个模型来研究，一个是扩散方程的方法，我们的GPU程序比CPU程序要快20倍以上；另一个是DLA模型，DLA模型是基于蒙特卡洛方法的，需要大量的随机数，由于其本身的特点，采用DLA模型的缺陷扩散程序比CPU只快8倍左右。但是仍然，我们将计算的实际尺寸扩大了一个数量级。

材料的力学性质研究

物质的力学性质的模拟研究也是基于兰州重离子国家实验室的加速器装置。当缺陷不再扩散以后，物质的力学性质的是否发生变化也是很重要的课题。例如，在考虑核电站的堆的材料时，那些材料处在高辐照环境下，经过很长时间以后，材料的力学性质是否发生变化，直接影响到反应堆的安全性。因此，选择新型材料，使其长时间适应高辐照环境，是极端重要的。如果仅仅依靠实验，代价明显太大。利用超级计算机来模拟材料的力学性质，不仅可以实现对高辐照环境下的材料的选择，还可以节省大量的时间和金钱。我们的力学性质研究程序是基于GPU的，和CPU程序相比，GPU程序可以模拟更大尺寸，更长时间下的材料的性质。

加速器模拟研究

众所周知，加速器可以用于粒子对撞实验、质量测量、生物辐照、束流诊断等基础科学研究，世界各发达国家均有不同用途的加速器。但是加速器构造复杂，造价高昂，维护成本极高。加速器模拟可以为加速器建造提供依据，也可以为加速器在运行时的参数调节提供重要参考。我们的加速器模拟程序基于全三维PIC算法，能模拟部分加速器器件。

流体力学模拟研究

流体力学研究主要分两个方面，一方面是利用商用软件Ansys；另一方面是基于有限差分法的流体力学算法的开发，这是一个具有自主知识产权的软件，目前还在开发中。

我们要模拟的是较大规模的流体，前面提到的多核胖节点集群和专用工作站集群主要用于Ansys集群。目前，Ansys软件已经成功用于模拟多物理场耦合分析。

分子动力学研究

分子动力学方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。我们的分子动力学程序以自主开发为主，并基于GPU。目前可以模拟的尺寸可达微米量级。

系统生物学

系统生物学主要是利用开源软件来进行序列比对，目前对大肠杆菌、拟南芥、裂殖酵母及芽殖酵母四种模式生物的蛋白质组进行了生物信息学分析。

（作者单位：1为中国科学院近代物理研究所；2为兰州大学通讯学院）