中國獲大獎，9.3億億次超算助中國研究氣象武器？

中國著名科幻作家劉慈欣曾經在20年前曾發表過一篇著名的短篇小說《混沌蝴蝶》。在這部以美國空襲南聯盟為背景的小說中，一位南斯拉夫科學家通過美國「克雷」巨型計算機計算地球大氣的「敏感點」，然後通過給敏感點降溫或者加溫，來實現對南斯拉夫天氣的控制，使當地持續處於陰雨狀態之中，從而降低西方的空襲強度。

當然這個故事是以悲劇而結尾，而當時中國駐南聯盟大使館被炸，也讓很多讀者對這一個故事印象深刻，甚至感同身受。但可能很多讀者都沒有想到，了解天氣、模擬天氣乃至於控制天氣的技術，對於中國這個長期受自然災害困擾的國家，是有多大的吸引力！在2008年北京奧運開幕式上，中國就已經使用了小範圍改變天氣的技術。

2016年11月17日，在美國鹽湖城召開的全球超級計算大會（SC2016）上，中科院軟體所楊超和清華大學計算機系薛巍、地球系統科學研究中心付昊桓等共同領導的團隊所完成的「千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬」獲得「戈登·貝爾」獎，實現了該獎創辦30年來我國在此大獎上零的突破，成為我國高性能計算應用發展的新里程碑。

中國團隊獲得「戈登·貝爾」獎

在2016年的中國，已經擁有數台比當初美國「克雷」巨型機強大到不知多少倍的超級計算機。小說《混沌蝴蝶》中的克雷計算機只有一千多個CPU，而今天的神威·太湖之光一千萬個CPU，是克雷巨型機的一萬倍。從計算能力上看，小說中的克雷-1是每秒2.5億次浮點計算，而今天的神威·太湖之光是9.3億億次，是克雷計算機將近3億多倍。

那麼，中國的「千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬」技術，能不能實現類似小說里的氣象武器呢？答案是可能的，因為這種技術能讓人類更加認清大氣運動的內在特點。當然人類左右大氣的手段不可能像小說設想的那樣砸快冰或者點堆火就那麼簡單，但將比從前人工增雨等初級手段要先進隱蔽得多。

用計算機模擬複雜的、類似於混沌的大氣活動，對於計算機的能力要求異常強大。由於摩爾定律已經接近於觸頂，在人類沒有開發出新材料的情況下，單個處理器的計算能力已經逼近極限。在一段時間裡，超級計算機都是同構的，使用多個相同的處理器（例如至強處理器），這種計算機支持的程序非常多，但是這種計算機耗能和設計都已經達到極限，因此為了進一步提升計算能力，工程師就開始設計異構計算機，即計算機由完全不同的多種處理器組成：中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)。中央處理器執行單指令流，處理單數據流。圖形處理器處理多數據流。

這種設計，會實現製造百億億次計算機。但是這種異構計算機對於編程的要求很高，因為一些程序在CPU上運行良好，但是不能在GPU上運行。另外一些在GPU上運行更快，而在CPU上運行較慢。而中國團隊獲得大獎的關鍵，就在於開發了一種新的用於大氣動力模擬的高可擴展全隱式求解演算法和軟體，世界上首次在大規模異構眾核超級計算機（神威·太湖之光）上實現了千萬核可擴展的高效並行求解。正是這種異構計算機能力的充分發揮，使得中國團隊第一次世界上實現在有效時間尺度完成了網格解析度小於500米的大氣模擬。

據清華大學網站報道，這一研究成果的模擬速度較美國下一代大氣模擬系統(GFDL開發的AM3非靜力大氣模式)的計算效率提升近1個數量級，未來可應用於高解析度氣候模擬和高精細數值天氣預報，提升預估、預報精度。按照網格解析度小於500米的大氣模擬來推測，中國將來甚至可以知道對面哪個山頭會下雨，而哪個山頭不會下雨。氣象預報對於軍事行動上的巨大意義已經是眾所周知，中國氣象預報精度的大幅度提高肯定會提升對我軍、特別是海空軍行動的保障能力。

更重要的是，新技術帶動大氣模擬解析度的提高，使得中國對於複雜的大氣運動，能獲得更為深刻的理解和認知，從而讓中國有可能抓住大氣運動的深層次規律，來為我所用。單純從技術能力上來說，雖然實現讓一些不聽話的國家半年不下雨的「氣象武器」還不現實，但在局部戰場上，讓天氣給敵人帶來巨大麻煩還是有可能的。更重要的是，中國研究氣象武器就如同研究核武器一樣，不是為了使用而是為了遏制對手對中國使用氣象武器。

此外，中國團隊在異構眾核超級計算機開發的高效求解器，不但可以應用於氣象模擬，還能在航空、地學、能源等領域的挑戰性計算問題中有著廣闊的應用前景。中國新一代的戰鬥機乃至於空天戰鬥機的空氣動力學設計，都會應用這種高效計算技術。

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