美國橡樹嶺，為何最快的超級計算機都在這裡？

最近兩天科技領域熱點是美國的超級計算機又重登Top500榜首。這套名為Summit的超級計算機計算機擁有200PFLOPS的計算能力，比之前中國的世界第一神威太湖之光快了一倍。

這裡我們不過多去討論這台超級計算機本身，要知道，美國上一台最快的超級計算機Titan和這台Summit都在同一個地方：橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL），這是何方神聖？通過了解這個實驗室，我們將了解這個實驗室有哪些貢獻以及超級計算機的應用有個更具象的了解。

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橡樹嶺的起源

橡樹嶺國家實驗室歸屬於美國能源部，坐落于田納西州。目前，ORNL是目前公眾知道的、美國最大的國家實驗室，年度預算14億美元，主要研究的方向是原子核物理、材料學、能源、超級計算機計算以及國家安全項目。

40年代曼哈頓計劃時期的橡樹嶺

橡樹嶺鎮由陸軍工程兵團建立， 1942年開工，它的創立是「柯林頓工程師」工程的一部分，屬於曼哈頓計劃的一部分，在孤立的農田上建成。戰爭期間，芝加哥大學在該基地管理著政府的高級研究。 1943年，「柯林頓實驗室」的建設完成，後來改名為「橡樹嶺國家實驗室」。

該區域被選為研究X-10石墨反應堆，用於研究鈈可以由濃縮鈾生成。著名的物理學獎費米和他的同事在費米退休之前開發了世界上第二座自持式核反應堆。 X-10是第一個設計用於連續運行的反應堆。

費米被認為是最後的理論、實驗物理兼具的全能宗師

X-10反應堆，原子彈的核材料也出自這裡

第二次世界大戰結束後，對武器級鈈的需求下降，反應堆和實驗室的1000名僱員不再參與核武器，而是用於科學研究。 1946年，在X-10反應堆中生產出第一批醫用同位素，到1950年，將近2萬份核材料從橡樹嶺走入了各個醫院的X光檢查室。

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橡樹嶺的五六十年代

ORNL在二十世紀五十年代進行的大部分研究都是如何將核反應堆作為推進和電力生產;在20世紀50年代，ORNL建造的反應堆比其他非ORNL的機構加起來還多。

橡樹嶺另一個項目是世界上第一座輕水反應堆。憑藉其中子減速和普通水冷的原理，它是大多數現代核電站的直系祖先。美國軍方為其艦艇的核動力機組研究提供了大部分開發資助。

當時ORNL設計的核動力飛機的熱轉換裝置

美國陸軍於1953年承包了攜帶型核反應堆研究，用於遠程軍事基地的熱能和發電。反應堆由美國機車公司（ALCO）生產，ORNL設計，應用用于格陵蘭島，巴拿馬運河區和南極洲。

美國空軍（USAF）也為三座反應堆提供了資金;並為該實驗室配置了第一台電腦;並且出資建造了ORNL第一個粒子加速器。ORNL於1954年設計並測試了一架核動力飛機，作為美國空軍遠程轟炸機提議的概念，雖然它從未飛過。

20世紀50年代X-10提供放射性核素用於藥物的產能穩步增長，並且有了更多同位素產品; ORNL是唯一的西方鐦 252來源。 ORNL科學家降低了小鼠的免疫系統，並進行了世界首例成功的骨髓移植手術。

在二十世紀六十年代初期，ORNL大力推動開發核能海水淡化廠。名為「和平之水」的項目得到肯尼迪和約翰遜兩任總統的支持，並在1964年聯合國會議上提出，但建設成本和公眾對核電喪失的信心增加導致計劃失敗。

1962年建立的健康物理研究反應被用於輻射暴露實驗，進而推出更準確的劑量限制，劑量計和改進的輻射屏蔽。

ORNL是當時西方重要的醫用放射源材料提供方

1964年，熔鹽反應堆試驗開始用於反應堆的建造。它從1966年開始運行直到1969年，並證明了熔鹽反應堆的可行性，同時也通過副反應為其他反應堆的提供原料。 高通量同位素反應堆建於1965年，它改進了X-10反應堆的工作，生產出更多的醫用同位素，並且可以提高材料研究的準確性。

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橡樹嶺的七八十年代

在二十世紀七十年代，聚變能力的前景被認為激起了ORNL的研究。一種名為ORMAK的托卡馬克，於1971年投入使用，是第一個實現2000萬開爾文等離子體溫度的托卡馬克。在融合實驗成功後，它於1973年擴大並改名為ORMAK II;然而，實驗最終未能導致聚變發電廠走嚮應用，直到今天也沒有。

托卡馬克裝置用於實現可控核聚變新能源，但是到今天也沒成功

美國原子能委員會要求在二十世紀七十年代初期為核反應堆提高安全標準，所以ORNL的工作人員撰寫了將近100個需求文檔，其中涉及燃料運輸和抗震等許多因素。1972年，AEC舉行了一系列公開聽證會，強調緊急冷卻要求，並且安全要求變得更加嚴格。

Peter Mazur在ORNL研究時期的照片（credit:Indiana Univesity）

同樣在1972年，ORNL的生物學家Peter Mazur使用液氮冷凍、融化並將受精的小鼠胚胎植入了代孕媽媽，小鼠幼仔出生健康，這項技術在畜牧業中很受歡迎，因為它可以很容易地運輸昂貴的牛胚胎，而母牛可以提取多個卵子，因此通過體外受精可以獲得比自然受孕更多的後代，提高了畜牧業的效率和產量。

20世紀80年代為ORNL帶來了更多變化，重視效率變得至關重要。ORNL建立了一個加速的氣候模擬室，將不同的天氣條件下絕緣層材料的抗老化能力。到今天，ORNL依舊是全球領先的大氣、氣候研究機構。

放射性同位素電池是探測器長久工作的動力

看到這裡，會發現ORNL從誕生第一天開始就在從事原子能方向的研究，並且有著雄厚的技術積澱，並且成為美國乃至全世界主要的放射性同位素提供者，無論醫用的X射線、CT、放療還是工業用的γ射線探傷，放射性元素都起到了重要的作用。甚至旅行者號探測器能夠連續工作幾十年，也是同位素電池的功勞。

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橡樹嶺與超級計算機

我們知道核武器需要實驗才能不斷進步、改進設計。但真實的核試驗對於生態來說是災難，尤其是核實驗導致大氣層中碳12的同位素碳14濃度都在升高，在國際輿論的壓力下，從部分禁止核試驗條約，到九十年代中後期提出了全面禁止核試驗條約。

核爆炸的物理、化學反應對計算-存儲的要求極高

條約簽署了有了約束，就不能進行真實的核試驗了，但進行核武器研究的國家很多，對核武器的試驗也有需求，怎麼辦？

在計算機集群產生超級計算機後，這就成為了超級計算機的一個主要的任務：模擬核試驗。核爆炸試驗是一系列極其複雜的物理、化學過程，只有超級計算機的運算、存儲能力才能達到要求。

橡樹嶺作為核科學研究的先驅重鎮，顯然對於超級計算機來模擬核反應的過程有需求，早在1985年，ORNL就裝備了Cray的X-MP計算機。

1992年，ORNL正式成立了計算設施（Computing Facility）部門，同年安裝了第一台Paragon，這是英特爾早期的超級計算機，1995年部署在ORNL的Paragon XP/S 150，是ORNL首次擁有全球最快的超級計算機，顧名思義，這個產品單個機櫃可以實現150GFLOPS的計算。

被天河超級計算機擊敗的Cray Titan超級計算機

此後ORNL一直不斷的更新超級計算機系統，近年為我們所熟知的是Jaguar超級計算機，算力1.75TFLOPS，在2009年11月到2010年6月，這台Cray打造的超級計算機是當時世界最快的，後來Cray將其升級，重新命名為Titan，2012年Titan成為當時世界最快的超級計算機，後來被我國的天河超級計算機擊敗。

包括現在的Summit，ORNL有如此多的超級計算機，它們都執行了哪些前沿的探索呢？

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ORNL超級計算機的領域與成果

超級計算機Titan，當時就不僅僅屬於能源部，建造的時候也有美國國家大氣和海洋管理局的預算，用於計算複雜的氣候變化，包括進行風暴的模擬。超級計算機的計算資源可以申請，所以供不應求，因此要排序任務優先順序。

比如2009年的一個任務名為CAM-SE，前者CAM是一個群落大氣模型，SE是高階方法建模環境來求解流體和熱力學方程，兩個合併，可以進行全球大氣的高精度建模，如果不是超級計算機跑上若干天，是不會有結果的。

超級計算機都在算什麼？Titans2009年的首要研究

目前ORNL的超級計算機主要用於以下的項目研究：可持續能源方案、安全的核能系統、先進材料、可持續交通、氣候變化、詳細了解材料的原子級結構和動力學，其中先進材料我們之前文章介紹過ORNL在鋰-硫材料新電池領域的進展。

研究120個極端風暴對阿拉巴馬州河流流域的影響

聚合物材料研究

在ORNL公布的超級計算成果當中，有相當多都是關於氣候、河流這些產生影響的，比如去年的一個就是考察120個颶風過後會對局部河流地理有哪些影響；再比如有研究是超級計算機把超分子聚合物拓展到新的長度，這些研究都非常前沿。

可以說ORNL由於起步早、預算足，所以長期以來一直擁有全美乃至全世界最快的超級計算機。我國的超級計算機雖然起步晚，但是憑藉著努力，已經擁有天河等曾經世界最快的超級計算機。

未來，1000PFLOPS，也就是比目前的Summit快5倍的的超級計算機會是搶奪的新制高點，這些超級計算機也必然將在前沿科學探索的過程中擔任重要角色，推動科技進步。

圖片版權說明：本文所使用的圖片除特別聲明的以外，均已經由美國政府購買版權並將其提供給所有人無償使用。

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