在上一篇文章中，我們揭開了神威·太湖之光的“中國芯”——申威26010處理器的奧秘。但超級計算機的價值，遠不止于此。那么，它究竟能做什么？這個龐然大物是否只是科研院所里的高端設備？又或者，它是否離我們的日常生活遙不可及？

事實上，超級計算機早已悄然融入我們的世界。它預測天氣、模擬臺風路徑，幫助科學家研發新藥、篩選抗癌分子，甚至在人工智能訓練中扮演幕后助手的角色。從自然科學到工程制造，從醫療健康到社會治理，“超算”已成為現代科技社會不可或缺的算力引擎。我們看不見它，卻無時無刻不在受益于它。超級計算機就像科學家的“望遠鏡+加速器+放大鏡”三合一工具，幫助人類在不可實驗、不易觀測、極難預測的問題上，找出答案。

今天，就讓我們一起看看，這臺“國之重器”如何用算力改變我們的生活。

神威·太湖之光超級計算機

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

氣候模擬與天氣預報：看得更遠，報得更準

當我們用計算機預測天氣或模擬氣候時，其實是去解一組極其復雜的數學方程——這些方程描述了大氣中風速、溫度、水汽等變量如何隨時間和空間不斷變化。這相當于在用計算機重建整個地球的大氣，不僅數據量巨大，而且要求精度極高。為此，科研人員在“神威·太湖之光”超級計算機上開發出一套全新的大氣模擬求解器，能夠高效處理這些極為復雜的計算任務。

這套求解器采用了先進的“異構多重網格”算法，就像把地球大氣分成許多小塊，讓每塊都能被快速高效地并行計算。同時，它還通過一種名為“不完全LU分解”的方法，把每個區域的問題獨立處理，大幅提升了并發效率。得益于這些優化設計，“神威·太湖之光”可以實現公里級分辨率（1公里×1公里的精細網格尺度）的模擬。這項成果使其榮獲了2016年國際高性能計算領域的最高獎項——“戈登·貝爾獎”。

擴展全球大氣動力學全隱式模擬

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

除了基礎研究，這臺超級計算機也直接服務于我們的現實生活。在國家氣候中心的牽頭下，神威超算平臺承載了一套區域精細化氣候預測系統。它結合了高性能計算、數值模擬與平臺工程技術，能針對我國特定區域進行逐月滾動的氣候預測。簡單來說，它幫助我們更早、更準確地知道下個月哪里可能下大雨、哪里可能干旱。

這套系統已經連續多年參與我國汛期氣候預測的官方會商工作。尤其是在2020年汛期，預測系統輸出的降水預測評分高達81分，在歷史同類預測中名列前茅，為防災減災提供了重要依據。神威·太湖之光正讓氣候預測從“經驗判斷”走向“高精度模擬”，讓我們離“看清未來的天氣”更進一步。

新藥研發與疫情建模：抗疫背后的“算力戰”

一款藥物是否優秀，并不僅僅取決于它的治療效果，還要看它是否具備較低的毒副作用——這正是現代藥物研發面臨的難題之一。如今，科學家已經能較為準確地評估化合物與某些特定靶點的結合能力（即藥效），但要全面了解一個藥物分子是否會與體內其他蛋白質發生意外作用（即毒性），依然是個不小的挑戰。

在毒副作用的研究方面，我們還缺乏真正理性設計的能力，往往只能依賴昂貴且耗時的動物實驗來驗證。而在后期投入巨大的臨床階段，許多本來被寄予厚望的候選藥物，最終卻因毒副作用問題而被迫終止，造成巨額的經濟損失。

究其根源，是因為現有實驗技術難以實現一個關鍵突破：目前的實驗手段難以評估一種藥物是否會與上千種人體受體產生作用。這正是超級計算機可以大顯身手的地方——其中，分子對接（DOCK）技術是目前常用的一種計算方法，能夠模擬小分子藥物與蛋白質受體的結合情況，用于快速篩選潛在的藥物靶點。

以“神威·太湖之光”超級計算機為例，其在分子對接測試中的表現非常出色，平均每個受體在單核上的計算時間僅為0.0075秒，且具備良好的并行處理能力。這類高性能計算平臺正在成為推動藥物研發提速的重要工具。

SWDOCK對接結果示例圖

（圖片來源：國家超級計算無錫中心）

人工智能平臺

國家超算無錫中心和清華大學的科研團隊共同開發了基于“神威?太湖之光”超級計算機的人工智能平臺，其中包括人工智能專用算法庫的開發、分布式機器學習、深度學習框架，大數據平臺以及應用開發和部署平臺等多個關鍵的軟件模塊，構成了一套完整的人工智能解決方案。

為支持現有深度學習算法和應用在“神威?太湖之光”上的部署基于申威異構眾核處理器(SW26010)，開發了針對卷積、矩陣乘等深度學習核心計算模塊的算法庫 swDNN。利用采用計算任務劃分、計算通信重疊、寄存器通信等優化技術,計算模塊達到了60%的計算效率。相比于GPU(K40m)上的cuDNN 算法庫，可以取得1.91-9.75倍的雙精度浮點數性能優勢。

超級計算機或許離我們的生活很遠，但它的影響無處不在。它幫助我們預測天氣、研發新藥、設計新材料、探索宇宙、訓練人工智能，已經成為現代科技社會不可或缺的算力引擎。未來的更多突破，也將從“算出來”開始。

在算力爆發的時代，節能與速度一樣值得關注。看完“神威”超算的多重用途，你是否還會疑惑：如此強大的計算能力，是否會消耗大量能源？下一期，我們將日常用的筆記本電腦與超級計算機相互對比，一同探索超級計算機的“綠色革命”，看看這些“算力巨獸”如何實現高性能與低能耗的完美平衡。

參考文獻：

[1]Yang, Chao, et al. “10M-core scalable fully-implicit solver for nonhydrostatic atmospheric dynamics.”SC'16: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. IEEE, 2016.

[2] Fu, Haohuan, et al. “Refactoring and optimizing the community atmosphere model (CAM) on the sunway taihulight supercomputer.”SC'16: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. IEEE, 2016.

[3] Fu, Haohuan, et al. “Redesigning CAM-SE for peta-scale climate modeling performance and ultra-high resolution on Sunway TaihuLight.”Proceedings of the international conference for high performance computing, networking, storage and analysis. 2017.

出品：科普中國

作者：楊超（中國科普作家協會）

監制：中國科普博覽