在沒有硝煙戰場，世界末日上演，2021年將誕生新贏家

1970年的Licorne核試驗。圖片來源：planetdeadly

　　來源：環球科學ScientificAmerican

　　世界大國在互相約束停止核試驗後，核武器的維持和更新失去了現實數據支持。各個國家轉而投向了超級計算機，希望利用它們模擬爆炸來保持前端核研究的推進。如今，計算機科技成為了新一代競爭的戰利品。

　　幾十年前，美國研究人員製造了一個名叫Kearsarge的炸彈。在拿到炸彈元件後，他們在沙漠中進行了組裝，並將放射性材料和高爆物質混合到了一起。在1988年8月的一天，工作人員將其放到內華達試驗場一個數千英尺深的洞中，並埋在了數百萬磅重的砂礫之下。

　　30英里以外，時任洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任的Siegfried Hecker緊張地坐在控制中心。7位蘇聯核科學家全程觀看著這一過程。在相當長的一段時間裡，美國和蘇聯不斷用更強大的武器執行了爆炸實驗，雙方都想在這場競賽中展示自己的力量。如果當天的核武器試驗順利進行了，那麼它可能是最後一場。

　　引爆的命令發出了。Kearsarge爆發出的能量比廣島原子彈要多十倍。爆炸過程中來自炸彈的關鍵信號被電纜接收，並將十萬原始數據點輸送給了電腦。炸彈帶來的大地震動，即使遠在90英里以外的拉斯維加斯也能感受到。

1957年在地面上進行的核炸彈實驗。圖片來源：Omikron/Science Source

　　第二年，冷戰結束了，那些震蕩沙漠的日子也結束了。

　　計算機時代的開始

　　在1992年，時任美國總統的老不什忍痛簽署了一份為期9個月的核武器試驗暫停令。如果不使用核武器，美國就需要一種新的方法來證明自己武器的安全可靠。他們在創造這些核武器時預期能存放10-15年，其中有一些已經存在十多年了。

　　由於科學家長期以來是基於理論模型對這些炸彈進行測試，對炸彈的物理性質了解並不完整。現在他們需要去預測，衰變的放射性元素會如何改變這些陳舊的武器的性能。

　　從20世紀40年代的曼哈頓計劃（Manhattan Project）開始，高性能計算機一直是武器實驗室中的重要工具。如果不能在實際中在引爆炸彈，科學家只能轉向模擬爆炸。但首先，他們需要一台比世界上現存計算機快1萬倍的新計算機。

　　現在，核武器的設計者再一次開始試圖發起新的科技變革。美國花費了一萬億美金去更新它的核武器庫，同時還花費了超過數十億的美金來推動超級計算機的發展。計算機發展帶來的一場新競爭又開始了，同時還給美國帶來了新的競爭對手：中國。兩個大國都在競爭建設第一台具有人腦計算能力的機器，它的出現會同時推動天氣預報和醫療的發展。但是就像在過去的二十年中一樣，這些新技術會為它真實的目標服務：翻新和維護我們的核炸彈。

　　不爆炸的炸彈

　　美國現代的核武器計劃是一位工程師出身的官員Vic Reis設想出來的。他在前總統老布希的任期內領導了軍隊的研究機構，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）。隨著前蘇聯的解體，人們針對核炸彈的未來展開了激烈的爭論。武器實驗室和軍方想要重啟核試驗，而其他人想要把禁令無限期延長。

　　核彈頭就像是牛油果一樣。它們都有一個內部核，稱為核心（pit）。這個西柚大小的核心裝置通常是中空的，裡面充滿了鈈。彈頭裡有著目標向內的烈性炸藥，以產生內爆。這種爆炸會擠壓鈈直到其密度過高被粉碎成了多個原子核，也就是說原子會裂開並釋放巨大的能量。圖片來源：Alex Wellerstein/Nuclearsecrecy.com

　　在Reis看來，美國已經引爆了上千顆核炸彈了。再多引爆幾顆炸彈也不會加深對其的了解。而重要的是，想要在軍事上領先，就需要開展一個對現有實驗室有挑戰性的項目。只有科技領先才能繼續保持威懾力。如果核武器的研究不是以物理實驗為基礎，那還能是什麼呢？

　　為了弄清楚這個問題，Reis聚集了一批頂級科學家和主任，他們來自三個核武器實驗室——洛斯·阿拉莫斯國家實驗室和桑迪亞國家實驗室，以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。他們聚集在一起負責研發這項新項目，研究經費與核武器實驗持平，每年多達40億到50億美金左右，這些資金被用於建造世界上最大的計算機，且僅僅用來模擬炸彈爆炸。從1992年開始，所有的核試驗都是模擬試驗。但不是所有人都支持這一計劃。許多保守的科學家認為計算機模擬不能取代實際試驗。

在內華達州絲蘭平地上由於地下爆炸實驗留下的彈坑，展示了冷戰時期美國的核試驗方式。圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室/ Science Source

　　洛斯·阿拉莫斯武器項目負責人Bob Webster表示，現實試驗有一個好處，即可以在確定的溫度、密度、壓力等條件下研究爆炸。所以即使計算機可以進行模擬爆炸，我們仍需要進行物理實驗來為計算機提供現實的參數，對模擬結果進行檢驗。

　　當然要想實現計算機模擬，還有兩個主要的障礙：沒有完整理解的鈈元素，以及缺乏足夠的計算能力。

　　需要解決的基本問題

　　鈈不是自然存在的元素。人們在1940年代創造了這種元素，而如何利用這種致命金屬可能是曼哈頓計劃面臨的最大的挑戰。沒有人知道隨著時間推移鈈元素會如何衰變，這意味著沒有人知道我們的核武器能保存多長時間。用新生產的核武器進行替代似乎不太可行，美國唯一的制鈈工廠在1989年因為有毒廢料泄露關閉了。

　　此外，鈈也不是唯一會衰變的元素，彈頭上包含大量複雜的金屬和電子器件，任何一個都可能因為存放時間過長產生問題。武器科學家並不能保證這些炸彈還能正常工作，他們認為這就像放了40年的古董，我們還期望能讓它完美工作。

　　在上世紀90年代，科學家認識到，要解決這些問題需要基礎材料科學和物理學出現巨大進步。為了實現這一點，他們需要更好的計算機來測試老化的組件是如何改變一次核爆炸的，並且在武器還能使用之前找到答案。

　　1965年提出的著名的摩爾定律認為計算機的速度每18個月翻一番。但研究人員估計，這個速度至少還得再增加一倍。幸運的是，研究人員已經有一個可行的選擇。

　　提升速度

　　數十年來，超級計算機一次只能解決一個問題。「我們可以把它想像成一根管道，」 超級計算機先驅、田納西大學的Jack Dongarra這樣解釋。「你從管道的一頭開始，沿著這根管道一直走，直到完成任務。」在Reis領導DARPA時，該機構把大量的經費用於建造革命性的大規模並行計算機。與單根管道不同的是，並行過程可以同時處理多個任務。

圖片來源：Jay Smith

　　「人可以同時處理多個任務，這可以讓你做事做得更快。」Dongarra說到。他是「世界超級計算機500強」榜單的聯合創始人，這個半官方榜單展示了世界上最快計算機排名。但隨著冷戰的結束，大部分大規模並行計算機只在大學和工業研究實驗室中使用，政府的需求則非常小。面對老化的核武器儲備，Reis主動接手了這個問題，並在1995年啟動了提高戰略計算能力計劃（ASCI）。

　　之前的超級計算機利用定製元件製造，而ASCI想要全部用現成的普通電腦晶元和元件來製造。決定利用現成的組件被證明是革命性的，勞倫斯伯克利國家實驗室的副主任Horst Simon表示。這使得像IBM和英特爾這樣的科技公司得以將政府資助的科技成果出售給公眾。「最終，民用計算機的科技也將進步，」他說道，「但是如果沒有ASCI的投入，這種進步不會這麼迅速。」

　　在1996年，英特爾完成了這個項目的第一台超級計算機，稱為ASCI Red。這台設備首次突破了萬億次浮點運算門檻，實現了每秒一萬億次計算。有了這個設備，桑迪亞一躍成為了擁有世界上最快計算機的實驗室。

　　4年後在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，由IBM製造的ASCI White超過了ASCI Red。之後的十年，超級計算機不斷發展。美國和日本的國家實驗室相繼吹噓自己擁有了世界上最快的計算機，直到2010年中國突然取得了領導地位。一台中國製造的超級計算機——神威太湖一號橫空出世，它幾乎可以擊敗美國武器實驗室里所有機器的總和。

　　這對於美國來說，就像幾十年前有國家搶先發射了人造衛星。直到今年6月美國才利用橡樹林國家實驗室的新「頂峰」超級計算機收回了第一的位置。

橡樹林國家實驗室在6月公布了它的「頂峰」超級計算機，這是目前世界上最快的超級計算機。圖片來源：橡樹林國家實驗室

　　但是科學家說，這種你追我趕的現象這不是一場競賽。因為世界面臨的重大問題需要更快的超級計算機。這是一種自然而然的進步，而不是競賽。而超級計算機的能做到的也不僅是改進核武器模擬。

　　「這些計算機能幫助我們構建新的東西、解決問題、展望未來，」 Dongarra表示，「如果你有最快的計算機，你就可以用更短的時間周期來解決這些問題。」

　　下一台超級計算機

　　這也是為什麼兩個大國在下一代超級計算機發起競爭，也就是百萬兆級別計算機。這樣的計算機每秒可以完成百億億（10^18）次的計算。2021年左右，兩個國家都有可能成為第一個上線百萬兆級別計算機的國家。

　　在過去的5年里，世界超級計算機500強的名單展示了一個令人擔憂的趨勢：超級計算機的發展速度沒有想像中那麼快。現在，它的發展速度已經跟不上核武器科學家和研究者需求。John Sarrao作為洛斯阿拉莫斯國家實驗室理論、模擬和計算方面的副主任，管理著約700個核武器研究者。他表示，科學家已經有需要百萬兆級別的計算機才能解決的問題。

　　對Sarrao來說，理解鈈元素的衰變是最迫切的。在2007年，一份報告認為在彈頭內的鈈元素衰變很緩慢，至少可以存在85到100年。Hecker不同意該結論，並主動要求在洛斯阿拉莫斯再次研究鈈衰變。

　　百萬兆級別的計算機不僅僅能幫助我們製造更好的炸彈。它們可以用於模擬超精細級別的現象，比如複雜的洋流或是流經全身的血流。超級計算機甚至能用於建立氣候模型，所以能力更強的計算機技術意味著更精準的天氣預報。這些進步最終都會讓公眾受益。

　　「百億億不是競賽的終點，」 Dongarra表示，只要內華達試驗場還保持沉寂，世界還傾向於模擬爆炸，科學家和政府就會確保計算能力繼續進步。「具有最快速的計算機就像是放在壁爐架上的戰利品一樣，」他表示，「真正的問題是，我們會用這樣的設備研究什麼科學項目。」

　　模擬爆炸能拯救人類？

　　即使在冷戰巔峰之時，時任美國總統肯尼迪建議家庭建造輻射避難所，仍然有許多美國人懷疑是否真的會被核武器攻擊。而如果真的發生了，大部分人認為他們會死在那個世界末日中。

　　所以，你要如何讓人們為一場未必會發生卻又難以存活的災難做準備呢？這對於應急管理人員來說仍是一個問題，美國新澤西州斯蒂文斯理工學院的核炸彈歷史學家Alex Wellerstein表示。

　　幾年以前，他開展了一個項目來重新審視如何向美國人講述核威脅的備戰狀態和風險。一開始，他的團隊很難引起人們的興趣。直到2017年，在朝鮮核試驗之後，突然之間即使是美國聯邦應急管理局也在尋求培訓幫助。但是美國人，或者美國政府機構仍然沒有做好應做的準備。

　　Wellerstein希望他的研究能有所幫助。他表示，研究的目的不是要引起恐慌，而是希望人們把核爆炸當做實際存在的東西，而不是只會出現在好萊塢末日災難片中。這些研究會提升人們生存的幾率。

　　好萊塢喜歡在災難片中引爆它的故鄉。但是當非營利性智庫蘭德公司（RAND Corporation）研究了核攻擊對真實世界的影響的時候，他們發現其餘波影響遠超好萊塢的範圍。在長灘附近港口的核爆炸——這裡展示的是150千噸級爆炸——在重要的全球航運中心附近殺死了近6萬人。但是緊接著會發生混亂，有6百萬人逃離洛杉磯，全球的航運需要尋找新的路線，保險公司破產，美國西海岸需要尋找新的汽油來源。圖片來源：Zach Bush

　　超級計算機的歷史可以分為三個時期，勞倫斯伯克利國家實驗室副主任Horst Simon表示，「如果你想砍掉亞馬遜雨林的樹，你可以用一台電鋸，100隻海狸或是一百萬隻螞蟻。」

　　鏈鋸代表了早期的超級計算機——價格貴、性能高，但是一次只能砍一棵樹。海狸解決一棵樹的時間更長，但是考慮到有100隻同時工作，所以他們最終更有效率。這就是大規模並行超級計算機，也是現在的主導者。

　　現在行業想要向螞蟻推進——也就是由小型部件構成的百億億級別超級計算機。這些部件數量大，使用能量少，將能更快地完成項目。

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