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盘点超级计算机的9个用途是什么(揭示宇宙演化进程)

我要新鲜事2024-01-23 20:13:500

在国际超级计算大会上,新一届全球超级计算机500强榜单发布,中国“神威太湖之光”以大运算速度夺得冠军。过去,中国天河二号超级计算系统连续6次蝉联全球超级计算500强榜单冠军,已经实现了8次连续冠军。此外,中国科研团队在“神威太湖之光”上运行的超级计算应用也首次获得了被称为“诺贝尔高性能计算奖”的戈登·贝尔奖。那么什么样的研究可以在超级计算机上进行呢?

揭示宇宙演化进程

由中国科学家领衔的宇宙中微子数值模拟国际团队,在“天河二号”超级计算机系统上成功完成了30万亿粒子对宇宙中微子和暗物质的数值模拟,揭示了1600万年后宇宙大爆炸以来137亿年的漫长演化过程。中微子是自然界中最基本的粒子种类之一。它们没有充电,动作很快。目前,中微子的绝对质量无法通过物理实验和宇宙学观测来测量。中微子可以抑制早期宇宙中星系和大尺度结构的形成。后者可以通过大规模的宇宙学数值模拟间接测量,获得中微子的质量信息。这种大规模的宇宙学数值模拟必须依靠具有强大计算和存储能力的超级计算机。

模拟核试验

跻身500强的超级计算机是美国的泰坦和红杉。他们属于橡树岭国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的美国能源部。基于它们的超级计算应用涉及核武器的研制和安全维护。以1945-1992年美国1054次核试验数据为基础,用超级计算机建立了核爆炸的数学模型,深刻理解了核爆炸的原理,为新一代核武器的研制服务;大量核武器在接近使用寿命的情况下,超级计算机模拟可以用来预测它们何时会失效以及哪些部件需要更换。

气候模拟和天气预报

这一超级计算应用获得了中国戈登·贝尔奖,被称为“全球非静态云分辨率模拟”。该项目以气候和气象学研究为方向。气象预报需要对海量气象数据进行实时处理、存储、查询、分析和统计。用普通计算机计算几百年是必要的。例如,降雨与云的运动密切相关。利用超级计算机可以精确地模拟和观测云的运动。随着超级计算机运算速度的提高,观测精度不断下降。如果我们能“标记”未来的每一片云,天气预报就可以了。

地震模拟

超级计算机可以模拟地震。它通过计算不同地层的应力变化来模拟地壳运动。如中德科学家利用天河二号模拟真实地震波传播,再现了1992年美国加利福尼亚州兰德地震的兰德地震波传播过程,为研究地震波的产生、传播机理和地震预报提供了新的途径。

石油勘探

超级计算机还可以计算出油井应该在哪里钻探。目前,地震勘探是钻前勘探油气资源的重要手段。所谓地震勘探,就是利用地下介质的弹性差和密度差,观察和分析地球对人工激发地震波的响应,推断地下地层的性质和形状,从而确定油气的准确分布。这一过程需要对海量数据进行密集的计算和模拟,计算结果需要转换成直观的三维图像,因此必须借助高性能计算机来实现。

海啸危害预测

日本科学家利用超级计算机“北京”建立了海啸模拟模型,并成功预测了地震后海啸的破坏情况。结果表明,在宫城县发生地震的情况下,仙台市的洪水面积可以在10分钟内预报。如果这项技术得到推广,将提高海啸预警的准确性,引导居民更有效地避难。海啸灾害模拟量大、时间长,难以进行实时灾害分析。日本“3.11”地震时,海啸波高预测值低于实际高度。

精准医疗

精准医学是为每个人量身定做的医疗和治疗,它不仅是一个医学领域,而且与计算能力密切相关。基因差异决定个体差异。一个人的基因组中有30亿个碱基对等待着科学家分析,考虑到人们的生活习惯和外部环境等信息。但这还不够。我们至少需要数百万人的基因数据才能形成一个数据库,这样我们就可以分析基因差异与各种健康问题之间的关系,从而“治疗”人。所有这些都需要强大的计算能力来处理。

药物开发

在超级计算机“京”的帮助下,科学家们成功研制出抗癌新药。研究人员将研究重点放在对癌细胞增殖起重要作用的蛋白质上,并以这种特殊蛋白质为突破口,利用超级计算机模拟计算出能够有效抑制癌细胞增殖的化学物质。一般来说,计算这种癌细胞特异蛋白与可能有效药物的结合及其对体内水分的影响极其复杂,因此有必要借助超级计算机进行精确的模拟实验。

模拟血流

人体血管的总长度为10万至16万公里。没有超级计算机,几乎不可能实时模拟血管中的血液流动。美国科学家用超级计算机成功地复制了整个人类动脉系统。任何直径超过1毫米的动脉都会出现在分辨率为9微米的三维模型中。中国科学家也在用“太湖神威灯”模拟和分析人体血液流动。这样可以及时有效地判断一个人是否会有脑梗死的危险,而无需在血管内放置测量装置。除了模拟血液流动,超级计算机还可以模拟心脏、大脑和身体其他部位。

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