高性能計(jì)算平臺方案建議書

1、高性能計(jì)算平臺方案建議書目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc507448938 1 高性能計(jì)算機(jī)簡介 1 高性能計(jì)算機(jī)簡介1.1 什么是高性能計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算機(jī)，或稱超級計(jì)算機(jī)，是一套計(jì)算性能強(qiáng)大，具有大規(guī)模存儲空間和完整的軟件系統(tǒng)，并且價(jià)格十分昂貴的計(jì)算機(jī)，是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲容量最大的一類計(jì)算機(jī)。其性能遠(yuǎn)超普通的個人計(jì)算機(jī)和通用服務(wù)器，具有無與倫比的計(jì)算能力。高性能計(jì)算機(jī)通過并行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)超高的計(jì)算性能，并行計(jì)算即將多個處理器通過網(wǎng)絡(luò)連接，并以一定的方式將其有序地組織起來，同時(shí)對多個任務(wù)或多條指令、或?qū)Χ鄠€數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行處理，以達(dá)到快速求解一

2、個計(jì)算問題的目的。高性能計(jì)算機(jī)多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。目前的高性能計(jì)算機(jī)的主要架構(gòu)是集群架構(gòu)。集群架構(gòu)是將大量的服務(wù)器通過專用網(wǎng)絡(luò)連接起來，讓所有的服務(wù)器協(xié)調(diào)工作來完成一個計(jì)算任務(wù)。在用戶看來，整個集群就是一臺高性能計(jì)算機(jī)，管理和操作就像管理一臺計(jì)算機(jī)一樣簡單。不同的是這臺計(jì)算機(jī)具有超強(qiáng)的計(jì)算能力。1.2 為什么需要高性能計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算機(jī)構(gòu)建的主要目的有兩個：其一是縮短計(jì)算時(shí)間。某些科研計(jì)算任務(wù)，僅憑一臺或者幾臺服務(wù)器來進(jìn)行運(yùn)算，可能需要幾個月、幾年或者更長的時(shí)間。如果說科研人員把時(shí)間都浪費(fèi)在等待運(yùn)算結(jié)果上，科學(xué)研究就沒有進(jìn)步的可能。而利用

3、由大量服務(wù)器構(gòu)成的集群架構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，會大大縮短計(jì)算時(shí)間。就好像一個人砌一堵墻需要10天，10個人砌這堵墻只需要1天，而240個人砌這堵墻，只需要1個小時(shí)?？s短計(jì)算時(shí)間的典型例子就是人類基因組計(jì)劃。人類基因組計(jì)劃是由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。美、法、德、日和中國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的人類基因組測序計(jì)劃。該計(jì)劃要揭開組成人體4萬個基因的30億個堿基對的秘密。其中中國從1999年9月到2000年4月，用時(shí)八個月完成了其中1的測序工作，即完成人體第3號染色體上3000萬個堿基對的工作草圖。而這1%的工作就是在高性能計(jì)算機(jī)上完成的。像人類基因

4、組計(jì)劃這樣的超大計(jì)算需求的項(xiàng)目，必須在高性能計(jì)算機(jī)上完成，否則可能100年的時(shí)間也無法解開人類基因的秘密。高性能計(jì)算機(jī)第二個目的就是擴(kuò)大求解規(guī)模。一般的計(jì)算機(jī)，比如說我們的筆記本，一般只有2G-4G的內(nèi)存容量。如果一個科研計(jì)算任務(wù)需要將80G的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存進(jìn)行計(jì)算，那一般的計(jì)算機(jī)就無能為力了。而利用由大量服務(wù)器構(gòu)成的集群架構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)，可以提供超大的內(nèi)存空間，來求解超大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。打個比方來說，如果想要召開一個10萬人參加的會議，就必須使用非一般的超大會議室。從目前科學(xué)研究的趨勢來看，越來越多的科學(xué)研究依賴于用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行模擬和計(jì)算，而科學(xué)研究的計(jì)算需求和規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，促使高性能計(jì)算

5、機(jī)技術(shù)也在不斷發(fā)展，未來幾年很快就會出現(xiàn)每秒鐘運(yùn)算1萬萬億次的高性能計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)研究和計(jì)算技術(shù)互相促進(jìn)，推動著人類社會的不斷進(jìn)步。高性能計(jì)算機(jī)性能衡量標(biāo)準(zhǔn)高性能計(jì)算機(jī)的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)就是一秒種之內(nèi)能夠完成的計(jì)算次數(shù)，主要的描述方式為兩種：理論浮點(diǎn)計(jì)算峰值（Flops）：每秒鐘理論雙精度浮點(diǎn)計(jì)算次數(shù)，是描述一套HPC系統(tǒng)最主要的參數(shù)實(shí)際浮點(diǎn)計(jì)算峰值（Flops）：每秒鐘實(shí)際雙精度浮點(diǎn)計(jì)算次數(shù)，即可以描述HPC系統(tǒng)計(jì)算性能，又可以描述HPC系統(tǒng)的運(yùn)行效率目前業(yè)界對HPC系統(tǒng)實(shí)際浮點(diǎn)計(jì)算峰值的測試方法一般是用LINPACK軟件做基準(zhǔn)測試。LINPACK是國際上最流行的用于測試高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)浮點(diǎn)性能的

6、Benchmark（基準(zhǔn)測試軟件），通過對HPC系統(tǒng)采用高斯消元法求解一元N次稠密線性代數(shù)方程組的方法進(jìn)行測試。TOP500是一個為高性能計(jì)算機(jī)提供統(tǒng)計(jì)的 HYPERLINK /wiki/%E7%BB%84%E7%BB%87 o 組織 t _blank 組織，主要針對高性能計(jì)算機(jī)制造商、用戶和潛在用戶。TOP500從1993年開始對高性能計(jì)算機(jī)用LINPACK程序進(jìn)行基準(zhǔn) HYPERLINK /wiki/%E6%B5%8B%E8%AF%95 o 測試 t _blank 測試,取前500個最優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)進(jìn)行排序，每年2次（6月，11月）在高性能界的兩大盛會ISC和SC大會上公布，同時(shí)在www.TO

7、P500.org網(wǎng)站上公布。從目前TOP500排行榜可以看出，目前高性能計(jì)算早已進(jìn)入萬億次時(shí)代。1萬億次/s即是1000 Gflops或1Tflops。一般稍具規(guī)模的HPC系統(tǒng)的理論浮點(diǎn)峰值都是以萬億次/s（Tflops）作為基本單位比如說，2010年底中國排名第一、世界排名第二的高性能計(jì)算機(jī)“天河一號”，它的實(shí)際雙精度浮點(diǎn)計(jì)算能力為2560萬億次/s，即每秒鐘能夠?qū)崿F(xiàn)2560萬億次的計(jì)算。高性能計(jì)算機(jī)可以做什么高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極大的推動了世界科研發(fā)展的進(jìn)程，無數(shù)的重大科技進(jìn)步都離不開高性能計(jì)算機(jī)的支持，例如：人類基因組計(jì)劃：測定組成人類染色體中所包含的30億個堿基對組成的核苷酸序列，從而繪

8、制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息、從根本上治療疾病的最終目的。機(jī)械設(shè)計(jì)：從美國的曼哈頓計(jì)劃，到中國的神州七號，HPC為航天器設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持；大飛機(jī)、汽車、艦船、工程機(jī)械的設(shè)計(jì)也離不開HPC的輔助。石油勘探：作為HPC使用最多的領(lǐng)域，石油的尋找絕大多數(shù)利用HPC進(jìn)行高效率的模擬。交通、醫(yī)療、工業(yè)制造、基礎(chǔ)學(xué)科研究，一切最新的科技發(fā)展都有HPC在背后的支持。中國得益于政府的持續(xù)投入和科研人員的不斷努力，在高性能計(jì)算系統(tǒng)數(shù)量穩(wěn)步增長的同時(shí)，也取得了如下重大科研成果：超級雜交水稻研究：將普通水稻產(chǎn)量提高多倍，目前畝產(chǎn)水稻可達(dá)900公斤，成功解決中國糧食問題。

9、醫(yī)療研究：實(shí)現(xiàn)多種新藥的自主研發(fā)。面對新出現(xiàn)的病毒可以最快時(shí)間進(jìn)行研究并找到治療方法。2004年，中國科學(xué)家在世界上首次完成SARS病毒滅活疫苗I期臨床研究，證明疫苗是安全的，并初步證明有效。機(jī)械設(shè)計(jì)：利用HPC進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)幫助中國汽車產(chǎn)業(yè)快速騰飛，2010年中國汽車產(chǎn)量達(dá)到了1500萬輛，居于世界首位。航天器制造：中國神州七號飛船成功實(shí)現(xiàn)載人航天，使得中國成為第三個載人航天成果的國家。計(jì)算科學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域之一，它對整個社會的進(jìn)步起著基礎(chǔ)性的作用。高性能計(jì)算機(jī)面向的應(yīng)用涵蓋了絕大多數(shù)科研領(lǐng)域和實(shí)用領(lǐng)域，包括：計(jì)算密集型應(yīng)用（Computing-intensive)：大

10、型科學(xué)工程計(jì)算，數(shù)值模擬等。應(yīng)用領(lǐng)域：石油、氣象、CAD/CAE、生命科學(xué)、核能、制藥、環(huán)境監(jiān)測分析、系統(tǒng)仿真等。數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用（Data-intensive)：數(shù)字圖書館，數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)挖掘，計(jì)算可視化等。應(yīng)用領(lǐng)域：圖書館、銀行、證券、稅務(wù)、決策支持系統(tǒng)等。通信密集型應(yīng)用（Network-intensive)：協(xié)同工作，網(wǎng)格計(jì)算，遙控和遠(yuǎn)程診斷等。應(yīng)用領(lǐng)域：網(wǎng)站、信息中心、搜索引擎、電信、流媒體等。1.2.1 高性能計(jì)算與石油勘探就像人體組織的存活離不開血液一樣，現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展也離不開石油。這種被人們譽(yù)為“黑色黃金”的自然資源不但可提煉出各種交通工具及機(jī)械必需的燃料，還是服裝、藥物、塑料制

11、品等多種日用物品的重要工業(yè)原料。它的供應(yīng)充足與否乃至價(jià)格的每一絲波動，都可能左右全球經(jīng)濟(jì)形勢的變化。石油在現(xiàn)代工業(yè)體系中扮演的這種關(guān)鍵角色，以及它不可再生和短期內(nèi)難以被其他資源取代的特點(diǎn)，促使各個國家將找到更多石油儲藏視為首要任務(wù)。具體擔(dān)負(fù)這一重任的，則是石油勘探業(yè)務(wù)。這項(xiàng)業(yè)務(wù)的目標(biāo)是要在地表數(shù)千米以下的地層中找到油田的位置。其效率和投資回報(bào)率的提升，往往需要強(qiáng)大的技術(shù)支持，而性能不斷躍升、成本持續(xù)下降的高性能計(jì)算系統(tǒng)，就是今天它所需技術(shù)中必不可少的組成部分。高性能計(jì)算如何助力石油勘探在高性能計(jì)算商業(yè)化趨勢的推動下，為勘探業(yè)務(wù)大規(guī)模布署和應(yīng)用高性能計(jì)算已成為當(dāng)今各國的共識。在很多人的印象中，找

12、石油通常是要先行勘測出一片地下可能儲有石油的區(qū)域，然后再在這個區(qū)域內(nèi)打許多口井，并查看到底哪口井能夠出油。其實(shí)人們認(rèn)識中的這種石油勘探作業(yè)方式在今天早已過時(shí)。這種方式通常使用的是傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法和地球化學(xué)方法來勘測，其結(jié)果是很不精確的。由于油田在地下并不是以所謂“油海”的形式存在，而是由一個個彼此隔離的“葡萄串”組成的，因此在不夠精準(zhǔn)的勘測結(jié)果面前，人們只能多鉆井進(jìn)行嘗試，而且只有將油井鉆到一個儲有石油的“葡萄”頂部，才算是大功告成。然而，鉆井的費(fèi)用是非常高昂的，每打一口油井，其花費(fèi)往往都會達(dá)到百萬美元甚至是千萬美元。為提高石油勘探的能力和效率并降低其成本，石油勘探者很快就開始在勘探中采用了更

13、為先進(jìn)的地球物理方法，尤其是地震波法。所謂地震波法簡而言之就是用炸藥在地面激起人工地震波，這種地震波可傳入地下深處，并在碰到不同形態(tài)的巖層時(shí)形成不同的反射波，這些反射波經(jīng)地面的檢波器收集，轉(zhuǎn)變成電子信號后可存儲為數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，人們就能清晰地摸擬出勘測區(qū)域的地下地質(zhì)構(gòu)造，并找到那些存有石油或天然氣的巖層的精確位置。由于地震波法勘探收集的數(shù)據(jù)通常都以TB計(jì)，因此這些海量數(shù)據(jù)的處理只有借助高性能計(jì)算機(jī)，才能在最短的時(shí)間內(nèi)完成，以實(shí)現(xiàn)最佳的勘探效益。高性能計(jì)算計(jì)算是石油勘探領(lǐng)域的核心石油勘探尤其是石油地球物理勘探（簡稱石油物探）一直是高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著人類對于油氣

14、資源的需求不斷提高，尤其勘探工作面臨的勘探對象非常復(fù)雜，再加上為了提高精度，石油物探的測線間距越來越小，采樣點(diǎn)也越來越多，這必然導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)量越來越大。要處理這樣龐大的數(shù)據(jù)必須要依賴高性能計(jì)算機(jī)。對于石油勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展而言，地震成像技術(shù)廣泛應(yīng)用，油藏描述技術(shù)水平不斷提高，地球物理技術(shù)應(yīng)用從勘探走向開發(fā)，水平井和叢式井技術(shù)廣泛應(yīng)用，智能油田技術(shù)的發(fā)展，集成油田管理技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)都是在高性能計(jì)算機(jī)的輔助下不斷發(fā)展和應(yīng)用的。在油田的技術(shù)尋優(yōu)、三次采油、四次采油和提高采收率等技術(shù)上，必須高性能計(jì)算作為保障；在盆地模擬、油藏摸擬、計(jì)算可視化等工作流程中，輔助高性能計(jì)算，顯著提高了石油勘探準(zhǔn)確

15、度，縮短了勘探時(shí)間，有利于獲得更精確和更豐富的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維計(jì)算分析，更精準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)快速模擬地下油氣藏分布和預(yù)測油氣儲量的數(shù)據(jù)。從某種意義上說，高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為提升石油行業(yè)勘探水平，增強(qiáng)國際競爭力的關(guān)鍵所在。石油物探技術(shù)的發(fā)展對于高性能計(jì)算機(jī)的需求是無止境的，這對高性能計(jì)算技術(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)而強(qiáng)勁的需求，為高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)提供了一個長期穩(wěn)定的市場。高性能計(jì)算與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言，是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代 HYPERLINK /view/185129.htm t _blank 科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)提供的生產(chǎn)資料和科學(xué)管理方法進(jìn)行的社會化農(nóng)業(yè)。在按農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力性質(zhì)和水平劃分的農(nóng)業(yè)發(fā)展史上，屬于農(nóng)業(yè)的最

16、新階段。其基本特征是：一整套建立在現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)上的 HYPERLINK /view/71731.htm t _blank 農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的形成和推廣，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)向科學(xué)，如在植物學(xué)、動物學(xué)、遺傳學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，育種、栽培、飼養(yǎng)、土壤改良、植保畜保等農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)迅速提高和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代機(jī)器體系的形成和農(nóng)業(yè)機(jī)器的的廣泛應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)由手工畜力農(nóng)具生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器生產(chǎn)。如技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的拖拉機(jī)、耕耘機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、農(nóng)用汽車、農(nóng)用飛機(jī)以及林、牧、漁業(yè)中的各種機(jī)器，成為農(nóng)業(yè)的主要 HYPERLINK /view/2811461.htm t _blank 生產(chǎn)工具，使投入農(nóng)業(yè)

17、的 HYPERLINK /view/21312.htm t _blank 能源顯著增加。電子、原子能、激光、遙感技術(shù)以及人造衛(wèi)星等也開始運(yùn)用于農(nóng)業(yè)。良好的、高效能的 HYPERLINK /view/24042.htm t _blank 生態(tài)系統(tǒng)的逐步形成，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的社會化程度有很大提高，如農(nóng)業(yè)企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)分工、企業(yè)分工日益發(fā)達(dá)，“小而全”的自給自足生產(chǎn)被高度專業(yè)化、商品化的生產(chǎn)所代替，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程同加工、銷售以及生產(chǎn)資料的制造和供應(yīng)緊密結(jié)合，產(chǎn)生了 HYPERLINK /view/556822.htm t _blank 農(nóng)工商一體化?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展，大幅度地提高了農(nóng)業(yè)

18、勞動生產(chǎn)率、 HYPERLINK /view/816311.htm t _blank 土地生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品商品率，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村面貌和農(nóng)戶行為發(fā)生了重大變化。對于以農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的國家，加速現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展能夠在短時(shí)間增強(qiáng)國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理水平，從而增強(qiáng)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力。以上所提到的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的種種特征，不管是農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，都離不開有一個共同的特征就是要基于科技的發(fā)展。而科技發(fā)展離不開高性能計(jì)算機(jī)這一推進(jìn)器和催化劑。 高性能計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)科學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)是物理、化學(xué)這樣的基礎(chǔ)科學(xué)，像生命科學(xué)這樣的新型學(xué)科也在不斷的豐富著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)。以生命科學(xué)為例，生命科學(xué)是研究 HYP

19、ERLINK /view/157438.htm t _blank 生命現(xiàn)象、生命活動的 HYPERLINK /view/354564.htm t _blank 本質(zhì)、特征和發(fā)生、發(fā)展 HYPERLINK /view/183124.htm t _blank 規(guī)律，以及各種 HYPERLINK /view/4579.htm t _blank 生物之間和生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。其中包含了植物學(xué)、動物學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因組學(xué)等子學(xué)科。這些子學(xué)科的發(fā)展可以廣泛的促進(jìn)像育種、生物化肥、生物農(nóng)藥、作物改良、土壤改良等等技術(shù)的發(fā)展。而每個子學(xué)科發(fā)展的背后，都有高性能計(jì)算機(jī)的支持。生命科學(xué)的研究對象

20、往往是蛋白質(zhì)和DNA的大分子、小分子，因此其所涉及的大都是精密且準(zhǔn)確度要求極高的高端分析。而高性能計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算性能和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析等專業(yè)高端技術(shù)，能夠滿足這些科學(xué)問題的研究與發(fā)展，可為支撐這些項(xiàng)目繼續(xù)發(fā)展與運(yùn)行提供重要保障。使用高性能計(jì)算機(jī)研究效率可以提高幾十甚至上百倍。例如過去利用單個CPU的工作站對一個生物大分子進(jìn)行20萬個小分子庫的篩選需要10多天，如今采用高性能計(jì)算機(jī)僅僅只要半個小時(shí)。高性能計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)機(jī)械農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展則離不開發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造、車輛設(shè)計(jì)等，其中高性能計(jì)算機(jī)是不可替代的研究工具。原始的方式是手繪圖紙后，根據(jù)圖紙制造出設(shè)備原型機(jī)。對原型機(jī)進(jìn)行實(shí)際的裝機(jī)試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)問題后更

21、改圖紙，再制造原型機(jī)二代。這樣反復(fù)試驗(yàn)，直到試驗(yàn)成功為止。開發(fā)過程會耗費(fèi)大量的人力、資源和財(cái)力。使用高興能計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在計(jì)算機(jī)中建立模型，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)和錄像來分析解決問題。節(jié)約了制造時(shí)間和材料，更有利于對問題的分析，提高設(shè)計(jì)的精度和質(zhì)量。在進(jìn)行模擬時(shí)，需要考慮到材料剛度、韌度、受力變形情況等等因素，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量需要海量的計(jì)算性能，只能通過高性能計(jì)算機(jī)來進(jìn)行求解。高性能計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)日漸專業(yè)化及商品化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的自給自足、靠天吃飯的生產(chǎn)方式，已經(jīng)無法在農(nóng)產(chǎn)品市場的競爭中取得優(yōu)勢。必須形成高效能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，在滿足國內(nèi)人民生活需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步面對日益激

22、烈的市場競爭。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的范圍十分廣泛，可能涉及的因素包括：氣候因素：雖然農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展，氣候仍然是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。不同的地理位置，在一年的不同時(shí)間，都有不同的氣候條件，適合種植的農(nóng)作物也不一樣。另外，隨著時(shí)間的推移和氣候的變化，已有的模式也不一定適合幾年后的情況。這些都需要綜合考慮。地表環(huán)境：不同的地表適合種植不同的作物，平原或山地、濕熱或干冷、肥沃或貧瘠、土地元素構(gòu)成的不同都會影響作物的產(chǎn)量。市場因素：從國際農(nóng)產(chǎn)品期貨市場可以看出，各種農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的變化十分頻繁，農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格直接影響到主要種植該農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)戶或國家的經(jīng)濟(jì)利益。商業(yè)因素：在農(nóng)業(yè)專業(yè)化及規(guī)模化的今天，農(nóng)業(yè)逐漸向

23、工業(yè)化生產(chǎn)模式靠攏。建設(shè)怎樣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系和經(jīng)營體系來精確控制生產(chǎn)的進(jìn)銷存、精細(xì)化加工、人員、財(cái)務(wù)等各個方面，是擺在農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營前面的一個難題。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以上所有的問題是結(jié)合在一起施加影響的，形成一整套農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。需要使用計(jì)算機(jī)對以上因素進(jìn)行模擬和控制，來促進(jìn)整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健壯性。而大量的因素帶來的海量的計(jì)算和存儲需求，也需要高性能計(jì)算機(jī)來應(yīng)對。農(nóng)業(yè)是人類“母親產(chǎn)業(yè)”，養(yǎng)活并發(fā)展了人類。社會生產(chǎn)的發(fā)展首先開始于農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上才有工業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展，只有在農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，才會有第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)的地位和作用可以用一句話來概括“國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)”。利用高性能計(jì)

24、算機(jī)大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，是迅速提高國家農(nóng)業(yè)水平，增加國家農(nóng)業(yè)收益的有力途徑。依次為基礎(chǔ)，才能進(jìn)一步發(fā)展工業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)，壯大國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國力。高性能計(jì)算與生命科學(xué)生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象、生命活動的本質(zhì)、特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，以及各種生物之間和生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是一個非常龐大的學(xué)科，幾乎所有與生命有關(guān)的學(xué)科都可以歸結(jié)為生命科學(xué)，而化學(xué)、物理學(xué)、顯微鏡、質(zhì)譜儀、高性能計(jì)算機(jī)等都是生命科學(xué)的重要工具。生命科學(xué)涵蓋范圍十分廣泛，可以分為如下幾類：按生物類群或研究對象來分 植物學(xué)、動物學(xué)、微生物學(xué)、病毒學(xué)、人類學(xué)、古生物學(xué)、藻類學(xué)、昆蟲學(xué)、魚類學(xué)、鳥類學(xué)等等。研究的生命現(xiàn)象或生命過程

25、來分 形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、分類學(xué)、胚胎學(xué)、解剖學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)、進(jìn)化學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)、病理學(xué)、免疫學(xué)等等。 按生物結(jié)構(gòu)的層次來分 種群生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、量子生物學(xué)等等。 與生物和醫(yī)學(xué)相關(guān)的技術(shù)學(xué)科 遺傳工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、組織工程、克隆技術(shù)、生物信息技術(shù)生命科學(xué)涉及到的領(lǐng)域包括：基因組信息學(xué) 基因測序，序列拼接基因組序列信息的提取和分析基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測分子模擬技術(shù) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測藥物分子設(shè)計(jì)靶分子的確定 藥物分子設(shè)計(jì)基因芯片設(shè)計(jì)基因芯片，蛋白質(zhì)芯片，組織芯片電鏡分析分子結(jié)構(gòu)研究21世紀(jì)是生命科學(xué)迅猛發(fā)展的時(shí)代，利用基因技術(shù)培育

26、的轉(zhuǎn)基因食品已經(jīng)擺上了普通民眾的餐桌；基因方法已經(jīng)開始挽救患者的生命；克隆技術(shù)的重大突破，已使動物的復(fù)制成為可能。人類數(shù)千年來的夢想正隨著生命科學(xué)發(fā)展逐一實(shí)現(xiàn)，隨著物理學(xué)世紀(jì)讓位于生命科學(xué)世紀(jì)，世界還將會有更多的奇跡出現(xiàn)。可以預(yù)計(jì)，在發(fā)展和危機(jī)并存的21世紀(jì)，生命科學(xué)將成為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科。分子生物學(xué)將在生命科學(xué)中保持主導(dǎo)地位；細(xì)胞生物學(xué)還將作為生命科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)繼續(xù)發(fā)展；腦科學(xué)將代表生命科學(xué)發(fā)展的一個高峰；基因組計(jì)劃、基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程將帶來農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域的革命，產(chǎn)生難以估量的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。生物技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣泛的應(yīng)用前景，將使生物產(chǎn)業(yè)成為全社會

27、的產(chǎn)業(yè)支柱。生命的奧秘是無窮的，在探索生命的過程中，強(qiáng)大的高性能計(jì)算機(jī)也是必不可少的。隨著基于基因、蛋白質(zhì)和DNA的微觀生命科學(xué)研究越深入、應(yīng)用面越廣，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的作用也越大，許多最大規(guī)模的高性能計(jì)算機(jī)和集群系統(tǒng)都應(yīng)用于這一領(lǐng)域。從親子鑒定到藥物篩選再到H1N1流感疫苗研制等等，都離不開生命科學(xué)和背后的高性能計(jì)算機(jī)。基于基因、蛋白質(zhì)和DNA的微觀生命科學(xué)研究越深入、應(yīng)用面越廣，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的作用越大、生命科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)市場規(guī)模也越大。HPC在生命科學(xué)領(lǐng)域就具有廣泛的應(yīng)用，例如基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測、藥物分子設(shè)計(jì)、基因表達(dá)的調(diào)控、基因功能的預(yù)測、芯片表達(dá)和數(shù)據(jù)分析等。

28、高性能計(jì)算中心可以用于數(shù)值模擬蛋白質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)，可以快速研發(fā)生物醫(yī)藥，可以把研制時(shí)間由原來的十幾年縮短到幾年，將為人類攻克艾滋病、癌癥等頑疾提供更多機(jī)會。重點(diǎn)研究方向?yàn)榘┌Y、艾滋病、心血管病的藥物和治療的模擬計(jì)算，包括新藥發(fā)展過程的模擬計(jì)算；虛擬篩選，靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和確證，生物大分子的動力學(xué)模擬，藥物發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格；生命科學(xué)探索的模擬計(jì)算：蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)核酸的識別和組裝，大系統(tǒng)和整個功能單元，長時(shí)間（微秒）分子動力學(xué)模擬，基因變遷產(chǎn)生的缺陷和修復(fù)，量子生物化學(xué)和DNA鏈等。高性能計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）CAE(Computer-Aided Engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程是用計(jì)算機(jī)輔助

29、求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE的目標(biāo)是“用最低的成本模擬真實(shí)”。CAE分析主要包括前處理、計(jì)算分析和后處理三個過程:前處理主要是建立問題的幾何模型、網(wǎng)格劃分、建立數(shù)值模型、確定邊界條件和初始條件等。計(jì)算分析是對建立的模型進(jìn)行求解，經(jīng)常需要求解大型的線性方程組，這個過程是CAE分析中計(jì)算量最大、對硬件性能要求最高的部分。后處理則是以圖形化的方式對所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查和處理。利用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行渦輪發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)就是CAE應(yīng)用的一個很好的例子。渦輪發(fā)動機(jī)是一種利用旋轉(zhuǎn)的

30、機(jī)件自穿過它的流體中汲取動能的發(fā)動機(jī)形式，是 HYPERLINK /view/71190.htm t _blank 內(nèi)燃機(jī)的一種。渦輪發(fā)動機(jī)常用作大型飛機(jī)、大型船舶和重型車輛的發(fā)動機(jī)。大推力的渦輪發(fā)動機(jī)的自主設(shè)計(jì)，對XXX軍事和經(jīng)濟(jì)都有著非常重大的意義。渦輪發(fā)動機(jī)是大型飛機(jī)和船舶的核心部件，是建造自主設(shè)計(jì)大型飛機(jī)和船舶的基礎(chǔ)。渦輪發(fā)動機(jī)的自主研發(fā)成功，既可以建造本國自己的戰(zhàn)斗機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、大型客機(jī)等高端飛行器，也可以自主建造驅(qū)逐艦、戰(zhàn)列艦以及大型遠(yuǎn)洋油輪等船舶。自主開發(fā)可以避免在技術(shù)上受制與人，避免必須花費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)進(jìn)口國外的大型設(shè)備。 另外，在民用領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)是汽車領(lǐng)域技術(shù)最密集的 H

31、YPERLINK /view/396589.htm t _blank 關(guān)鍵部件，更是自主開發(fā)轎車制造 HYPERLINK /view/1273948.htm t _blank 企業(yè)核心競爭力，是不可互換的資源，“得發(fā)動機(jī)者得天下”。在高端發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，更成為少數(shù)跨國汽車巨頭“獨(dú)享的盛宴”。具備 HYPERLINK /view/1629744.htm t _blank 渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動機(jī)，具有體積小、動力強(qiáng)、節(jié)能 HYPERLINK /view/13704.htm t _blank 環(huán)保、可靠性高等特點(diǎn)，同 HYPERLINK /view/21863.htm t _blank 排量發(fā)動機(jī)采用渦輪

32、增壓技術(shù)后，可提高功率30%-100%，且在環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢，因此成為世界發(fā)動機(jī)技術(shù)的一種趨勢。設(shè)計(jì)渦輪發(fā)動機(jī)，HPC是不可替代的工具，使用HPC進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，可以大大降低設(shè)計(jì)難度以及實(shí)驗(yàn)成本，提高設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。建立高性能計(jì)算中心的必要性在當(dāng)今社會，高性能計(jì)算在一個國家的重要性越來越明顯，計(jì)算科學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域之一，它對整個社會的進(jìn)步起著基礎(chǔ)性的作用。高性能計(jì)算中心的建設(shè)對國家保持科學(xué)研究領(lǐng)導(dǎo)地位、提高經(jīng)濟(jì)競爭力以及維護(hù)國土安全、提升國際地位發(fā)揮將會發(fā)揮重要作用。當(dāng)代高技術(shù)的發(fā)展依賴于理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算三大手段的進(jìn)步，開展科學(xué)與工程計(jì)算的設(shè)備和技術(shù)的先進(jìn)程度，已經(jīng)成為

33、衡量其科學(xué)技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志。Internet的興起和廣泛應(yīng)用，有力地促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的科學(xué)研究和應(yīng)用發(fā)展，正在改變著人類社會的面貌。未來的應(yīng)用需要在廣大的地域范圍內(nèi)快捷、便利地發(fā)現(xiàn)、交流、共享信息和知識的能力，需要海量（PB級）的數(shù)據(jù)存儲能力和百萬億次乃至千萬億次級（Pflops）的計(jì)算處理能力，需要有效的信息融合能力和協(xié)同解決復(fù)雜問題的能力，需要保證高度可靠安全服務(wù)的能力，這些要求對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能提出了前所未有的要求，也改變了人們對計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)認(rèn)識，即從封閉、孤立、互不兼容的系統(tǒng)向互通、互聯(lián)、互操作，能提供聚合處理能力的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境即計(jì)算網(wǎng)格發(fā)展。高性能計(jì)算機(jī)是世界公認(rèn)的高新

34、技術(shù)制高點(diǎn)和21世紀(jì)最重要的科學(xué)領(lǐng)域之一，高性能計(jì)算發(fā)展及應(yīng)用水平正日益成為一個國家科研實(shí)力的重要標(biāo)志之一，在高性能計(jì)算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位就等于占領(lǐng)了未來發(fā)展的制高點(diǎn)。它在航空航天、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、信息研究、生命科學(xué)、材料工程和基礎(chǔ)科學(xué)研究、行業(yè)的信息化、數(shù)據(jù)大集中等方面都具有重要的意義，計(jì)算能力是一個國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，當(dāng)今世界強(qiáng)國幾乎全部是計(jì)算的強(qiáng)國。高性能計(jì)算歷來被視為國家實(shí)力的象征，代表著一個國家計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平，與趨于白熱化的“登月熱潮”相比，全球HPC TOP500排名的競爭絲毫不遜色，且有愈演愈烈的趨勢。6月23日，2012國際高性能計(jì)算機(jī)年會(International Su

35、percomputing Conference)將舉行，最新一期HPC全球500強(qiáng)排名新鮮出爐。關(guān)于高性能計(jì)算機(jī)研究與應(yīng)用最為明顯的國家應(yīng)該是美國，從全球高性能計(jì)算機(jī)排行榜TOP500中便可以看出。也正是因?yàn)橛辛诉@些高性能計(jì)算機(jī)讓頗具實(shí)力的國家發(fā)展的更快。高性能計(jì)算機(jī)除了涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，在國家安全、國防科技方面的應(yīng)用也尤為強(qiáng)烈，而高性能計(jì)算機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也曾經(jīng)長時(shí)間被國外企業(yè)霸占。在TOP500排行榜的榜單中，美國、德國、印度、法國、日本等國的高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用排名比較靠前，光是美國就占據(jù)了TOP10中的半數(shù)以上，證實(shí)了美國在全球信息化建設(shè)領(lǐng)域的強(qiáng)國地位。高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用變得越來越廣泛，同

36、時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域也更多元化，越來越多的國家也正在視圖打造屬于自己的高性能計(jì)算研究中心，樹立廠牌。從全球高性能計(jì)算機(jī)排行榜當(dāng)中，我們看到的不僅僅是幾款產(chǎn)品性能的比拼或者是幾大IT廠商之間的“斗艷”。從深層次上來看，透過TOP500排行榜可以看到一個國家一定時(shí)期內(nèi)高性能計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量和應(yīng)用情況，而正是這些反映了一個國家關(guān)于高性能計(jì)算機(jī)的研制水平，上升到科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力。因此，建立的這套高性能計(jì)算中心不僅對于的科研水平和大學(xué)教學(xué)有著重要作用，更對進(jìn)行高性能計(jì)算應(yīng)用水平的提高有重大意義。高性能計(jì)算中心建設(shè)意義計(jì)算科學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域之一，它對整個社會的進(jìn)步起著基礎(chǔ)性的作用。高性能計(jì)算

37、中心的建設(shè)對國家保持科學(xué)研究領(lǐng)導(dǎo)地位、提高經(jīng)濟(jì)競爭力以及維護(hù)國土安全、提升國際地位發(fā)揮將會發(fā)揮重要作用。提升科研實(shí)力高性能計(jì)算與計(jì)算密集型應(yīng)用越來越密不可分，已成為機(jī)械制造、量子力學(xué)、天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、分子建模、物理仿真、密碼分析等領(lǐng)域的重要手段。近年來科研水平不斷提升，在科研的眾多方面都對計(jì)算能力有個強(qiáng)大的需求。建造國家高性能計(jì)算中心，可以廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，包括：1大型及復(fù)雜機(jī)械的制造模擬2生物醫(yī)藥和生命科學(xué)領(lǐng)域3材料領(lǐng)域的模擬計(jì)算4熱核聚變等離子體物理和聚變能源5大氣與氣候6宇宙起源、天體物理和地球科學(xué)7物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)8化學(xué)過程動力學(xué)與催化9多尺度計(jì)算方法的研究提高經(jīng)濟(jì)競爭力(根據(jù)該

38、國特點(diǎn)做相應(yīng)修改)國家經(jīng)濟(jì)競爭力是指一個國家在世界經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，創(chuàng)造增加值和國民財(cái)富的可持續(xù)增長的綜合能力。具有優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)主要包括：機(jī)器制造業(yè), 化學(xué)和石化工業(yè),電子工業(yè)等。這些產(chǎn)業(yè)所涉及到的機(jī)械設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)學(xué)科的研究，是高性能計(jì)算機(jī)所應(yīng)用的主要學(xué)科。借助高性能計(jì)算機(jī)的幫助可以大幅度提高的機(jī)械制造水平和科技水平，生產(chǎn)出更有競爭力的產(chǎn)品，提高國家經(jīng)濟(jì)競爭力。提升國防實(shí)力國防安全是國家安全的重要組成部分，是一國安全的支柱和基本保證，也是維護(hù)一國國際地位的重要依托。如何保障國民經(jīng)濟(jì)，國防安全，公共信息化所需要的高性能計(jì)算機(jī)就是一個不得不考慮的問題。高性能計(jì)算在國家安全領(lǐng)域中也有很多重要應(yīng)用，包括核武

39、器物理的實(shí)驗(yàn)室模擬、航天航空器模擬、高性能常規(guī)武器的性能改良和其它有關(guān)國家安全重大問題。提高國際地位高性能計(jì)算機(jī)用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是一個國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。國內(nèi)外高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐證明了，高性能計(jì)算機(jī)能夠?yàn)閲业目茖W(xué)技術(shù)、國計(jì)民生和國家安全提供強(qiáng)大的支撐。高性能計(jì)算中心可提升的科研實(shí)力數(shù)值模擬與理論和實(shí)驗(yàn)三位一體是促進(jìn)21世紀(jì)科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的三大支柱。今天我們所面臨的計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀是大量的計(jì)算資源閑置，大量的軟件偶爾使用，大量的數(shù)據(jù)被封閉“孤島”上而不能共享，導(dǎo)致人們花費(fèi)大量金錢去重復(fù)生成、獲取。應(yīng)用提出的互通、共享、協(xié)同的需求與割據(jù)、封閉的計(jì)算機(jī)

40、應(yīng)用的現(xiàn)狀形成強(qiáng)烈的反差，迫切要求我們改變現(xiàn)狀，建設(shè)面向21世紀(jì)的新型計(jì)算環(huán)境。在目前的國際形勢下，建立國家級的高性能計(jì)算環(huán)境已成為保障國家安全的重要措施。在中國已經(jīng)以在北京、上海、合肥、武漢、成都等地建立了8個國家高性能計(jì)算中心。它在航空航天、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、信息研究、生命科學(xué)、材料工程和基礎(chǔ)科學(xué)研究、行業(yè)的信息化、數(shù)據(jù)大集中等方面都具有重要的意義。這些國家高性能計(jì)算中心為中國的科研水平提升起到巨大的推動作用。高性能計(jì)算正在變得與計(jì)算密集型應(yīng)用越來越密不可分，已成為石油勘探、量子力學(xué)物理、天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、分子建模、物理仿真、密碼分析等領(lǐng)域的重要手段，而只有百萬億次以上級別的高性能計(jì)算

41、系統(tǒng)才能幫助這些領(lǐng)域取得更加精湛的成就。根據(jù)全球高性能計(jì)算500強(qiáng)排名的性能指向，10億億次的系統(tǒng)將于2016年出現(xiàn)，而且百億億次(Exascale)級別的高性能計(jì)算系統(tǒng)有可能于2019年出現(xiàn)。近年來科研水平不斷提升，在科研的眾多方面都對計(jì)算能力有個強(qiáng)大的需求。通過建造這套高性能計(jì)算中心，可以廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。1高速大飛機(jī)和高馬赫數(shù)的飛行器主要包括氣動力學(xué)效率和穩(wěn)定性；機(jī)身和發(fā)動機(jī)的先進(jìn)材料、本構(gòu)特性的模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)；發(fā)動機(jī)內(nèi)高效率燃燒過程，特別是高馬赫數(shù)下發(fā)動機(jī)的超燃過程的模擬探索；高速大飛機(jī)和高馬赫數(shù)飛行器的模擬計(jì)算設(shè)計(jì)。2生物醫(yī)藥和生命科學(xué)領(lǐng)域20世紀(jì)是生命科學(xué)迅猛發(fā)展的時(shí)代，尤其是

42、最后20年，它的發(fā)展速度之快更加令人矚目。利用基因技術(shù)培育的轉(zhuǎn)基因食品已經(jīng)擺上了普通百姓的餐桌；基因方法已經(jīng)開始挽救患者的生命；克隆技術(shù)的重大突破，已使動物的復(fù)制成為可能。人類數(shù)千年來的夢想正隨著生命科學(xué)發(fā)展逐一實(shí)現(xiàn)，隨著物理學(xué)世紀(jì)讓位于生命科學(xué)世紀(jì)，世界還將會有更多的奇跡出現(xiàn)?？梢灶A(yù)計(jì)，在發(fā)展和危機(jī)并存的21世紀(jì)，生命科學(xué)將成為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科。分子生物學(xué)將在生命科學(xué)中保持主導(dǎo)地位；細(xì)胞生物學(xué)還將作為生命科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)繼續(xù)發(fā)展；腦科學(xué)將代表生命科學(xué)發(fā)展的一個高峰；基因組計(jì)劃、基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程將帶來農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域的革命，產(chǎn)生難以估量的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。生

43、物技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣泛的應(yīng)用前景，將使生物產(chǎn)業(yè)成為全社會的產(chǎn)業(yè)支柱。生命的奧秘是無窮的，在探索生命的過程中，強(qiáng)大的高性能計(jì)算機(jī)（HPC）也是必不可少的。隨著基于基因、蛋白質(zhì)和DNA的微觀生命科學(xué)研究越深入、應(yīng)用面越廣，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的作用也越大，許多最大規(guī)模的高性能計(jì)算機(jī)和集群系統(tǒng)都應(yīng)用于這一領(lǐng)域。從親子鑒定到藥物篩選再到H1N1流感疫苗研制等等，都離不開生命科學(xué)和背后的高性能計(jì)算機(jī)?；诨?、蛋白質(zhì)和DNA的微觀生命科學(xué)研究越深入、應(yīng)用面越廣，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的作用越大、生命科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)市場規(guī)模也越大，許多規(guī)模最大的高性能計(jì)算機(jī)和集群系統(tǒng)都應(yīng)用于這一領(lǐng)域。HPC在生命科學(xué)領(lǐng)域就具有廣

44、泛的應(yīng)用，例如基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測、藥物分子設(shè)計(jì)、基因表達(dá)的調(diào)控、基因功能的預(yù)測、芯片表達(dá)和數(shù)據(jù)分析等。國家高性能計(jì)算中心的集群系統(tǒng)可以用于數(shù)值模擬蛋白質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)，可以快速研發(fā)生物醫(yī)藥，可以把研制時(shí)間由原來的十幾年縮短到幾年，將為人類攻克艾滋病、癌癥等頑疾提供更多機(jī)會。重點(diǎn)是癌癥、艾滋病、心血管病的藥物和治療的模擬計(jì)算。包括：新藥發(fā)展過程的模擬計(jì)算：虛擬篩選，靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和確證，生物大分子的動力學(xué)模擬，藥物發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格；生命科學(xué)探索的模擬計(jì)算：蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)核酸的識別和組裝，大系統(tǒng)和整個功能單元，長時(shí)間（微秒）分子動力學(xué)模擬，基因變遷產(chǎn)生的缺陷和修復(fù)，量子生物化學(xué)和DNA鏈

45、等。3材料領(lǐng)域的模擬計(jì)算模擬研究和理解材料的物性；探索多體系統(tǒng)的規(guī)律；預(yù)測和理解材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及其相互關(guān)系；為新材料開發(fā)和應(yīng)用、新型信息的存儲和傳輸方式、新型能源的利用手段等提供科學(xué)的依據(jù)。具體包括：超導(dǎo)和磁性材料，納米材料的表面和界面效應(yīng)，材料缺陷的力學(xué)性能，材料老化、脆裂、疲勞和災(zāi)難性失效，半導(dǎo)體材料和自旋電子學(xué)，軟物質(zhì)特性，材料的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性和熱效應(yīng)，等等。4熱核聚變等離子體物理和聚變能源熱核聚變（磁約束聚變和慣性約束聚變）物理主要是高溫等離子體物理。主要問題是磁約束聚變中的湍流和能量輸運(yùn)，宏觀平衡和穩(wěn)定性問題，電磁波與粒子作用的不穩(wěn)定性，能量注入加熱，等離子體與器壁作用問題等

46、；慣性約束聚變的激光與等離子體相互作用不穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換，輻射產(chǎn)生和輸運(yùn)，內(nèi)爆動力學(xué)，流體力學(xué)不穩(wěn)定性，高剝離態(tài)的原子物理。無論磁約束聚變和慣性約束聚變，點(diǎn)火和自持燃燒熱核反應(yīng)動力學(xué)研究是一個共同問題。5大氣與氣候天氣數(shù)值模擬主要是了解雷暴、風(fēng)暴（包括臺風(fēng)）、雪暴、暴雨、沙塵暴、泥石流、熱波等的形成和傳播，并及時(shí)預(yù)報(bào)（包括局域和災(zāi)害控制，大范圍、短期和長期）。氣候模擬主要是模擬氣候的歷史，預(yù)測今后中長期氣候變化，特別是模擬大氣、陸地、洋流的互相耦合界面（包括效應(yīng)）的局域和全域（Global）變化。天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果，也是由高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算而來。目前世界最高水平可預(yù)報(bào)8天,中國為5至6天。但對于中長

47、期預(yù)報(bào)特別是氣候預(yù)報(bào)來說,目前世界上的高性能計(jì)算機(jī)仍然是無法滿足需求的,因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)的計(jì)算需要10的18次方也就是每秒百萬萬億次的速度。從宇宙大爆炸起至今宇宙的年齡約為150億年,換算成秒大概是百萬萬億秒。如果每秒鐘做一次運(yùn)算的話,相當(dāng)于宇宙大爆炸起一直算到現(xiàn)在。世界上一個公認(rèn)的說法是,天氣預(yù)報(bào)時(shí)效每增加一天,氣象和計(jì)算機(jī)界需要努力10年?，F(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)是用成千的CPU同時(shí)做天氣預(yù)報(bào)的計(jì)算，如果不用并行機(jī)做計(jì)算不可能做天氣預(yù)報(bào)的，因?yàn)樗愠鰜硪呀?jīng)過了時(shí)了。一般把時(shí)效在10天以上，一個月、一季甚至一年的天氣預(yù)報(bào)，稱為長期天氣預(yù)報(bào)。時(shí)效在一年以上的預(yù)報(bào)稱為超長期天氣預(yù)報(bào)。長期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率比短期天氣

48、預(yù)報(bào)要差一些。但由于長期天氣預(yù)報(bào)對人類的生活和生產(chǎn)（特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）關(guān)系極為重要，故已引起世界各國的廣泛關(guān)注。6宇宙起源、天體物理和地球科學(xué)模擬計(jì)算探索宇宙的發(fā)生和演化，暗物質(zhì)與暗能量的分布及其與宇宙加速膨脹的關(guān)系，以及新的天體現(xiàn)象；解釋觀察到的天體現(xiàn)象（超新星爆炸、噴射現(xiàn)象、射線暴、夸克膠子等離子體問題、致密天體吸積盤特性、黑洞周圍及內(nèi)部特征、強(qiáng)磁場效應(yīng)、粒子加速等）；地球科學(xué)模擬（全球地幔對流、地球發(fā)電機(jī)問題、全球區(qū)域地震波的發(fā)生和傳播、計(jì)算礦藏學(xué)等）。7物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)量子場論成功地描述了物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律，已成為現(xiàn)代物理研究的基礎(chǔ)。其最重要進(jìn)展是建立了標(biāo)準(zhǔn)模型，由弱電統(tǒng)一理論和量子色動力

49、學(xué)（QCD）兩部分組成。30多年來，這一模型在解釋強(qiáng)、弱電磁相互作用方面取得了巨大成功。但是，隨著人們認(rèn)識物質(zhì)內(nèi)部世界愈來愈深入，標(biāo)準(zhǔn)模型也顯現(xiàn)了許多具有挑戰(zhàn)性問題，數(shù)值模擬的任務(wù)是：檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以及減少模型中的參數(shù)約束個數(shù)；用標(biāo)準(zhǔn)模型來發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，包括尋找Higgs粒子；探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象；與高能天體物理建立密切聯(lián)系。8化學(xué)過程動力學(xué)與催化化學(xué)工程中的過程放大與小型化及其控制，化工過程計(jì)算機(jī)模擬。離散化和多尺度方法的結(jié)合解決復(fù)雜化工過程的定量模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。針對多尺度離散模擬的專用與通用相結(jié)合的高性能計(jì)算。催化反應(yīng)動力學(xué)與催化劑設(shè)計(jì)中的高性能計(jì)算。9多尺度計(jì)算方法的研究多尺度非線性

50、問題是模擬計(jì)算中一個很大難點(diǎn)，涉及到十分廣泛的研究領(lǐng)域（材料設(shè)計(jì)、流體湍流、等離子體物理、天體物理等等），在國家中長期規(guī)劃中的重大專項(xiàng)、前沿高技術(shù)、基礎(chǔ)科學(xué)問題有關(guān)科學(xué)計(jì)算都會涉及到。因此，單列一個項(xiàng)目進(jìn)行基本問題研究，對發(fā)展模擬計(jì)算是十分必要的。除上述9個項(xiàng)目外，高性能計(jì)算在國家安全領(lǐng)域中也有很多重要應(yīng)用，包括核武器物理的實(shí)驗(yàn)室模擬、航天航空器模擬、高性能常規(guī)武器的性能改良和其它有關(guān)國家安全重大問題。高性能計(jì)算系統(tǒng)在推動科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步、國防安全的各個方面都會起到非常重要的作用。高性能計(jì)算中心可提高經(jīng)濟(jì)競爭力國家經(jīng)濟(jì)競爭力是指一個國家在世界經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，創(chuàng)造增加值和國民財(cái)富的可

51、持續(xù)增長的綜合能力。國家競爭力評價(jià)是全新的系統(tǒng)量化概念，從現(xiàn)有實(shí)力和發(fā)展?jié)摿煞矫娣从骋粋€國家或地區(qū)的整體競爭力。目前國際競爭力評價(jià)有八大要素和四大要素兩種體系，國際競爭力八大要素適應(yīng)發(fā)展中國家和地區(qū)，主要包括國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、國際化、政府管理、金融體系、基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)管理、科學(xué)技術(shù)和國民素質(zhì)，而其中最重要的則是科學(xué)技術(shù)。具有優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)主要包括：機(jī)器制造業(yè), 化學(xué)和石化工業(yè), 電子工業(yè)等。 (根據(jù)不同國家的情況需要調(diào)整)（一）機(jī)器制造業(yè) 的機(jī)器制造業(yè)是工業(yè)的支柱和主導(dǎo)部門，擁有600多家企業(yè)，產(chǎn)值約占全國工業(yè)產(chǎn)值的1/4；機(jī)器制造工業(yè)具有較先進(jìn)的設(shè)備和工藝技術(shù)，主要有汽車和拖拉機(jī)制造、機(jī)床制造、農(nóng)

52、機(jī)制造等行業(yè)，其中重型礦山自卸車的研發(fā)和生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平，世界上幾乎三分之一的礦山自卸車產(chǎn)自白俄羅斯。 （二） 化學(xué)和石化工業(yè) 的化學(xué)和石化工業(yè)是該國工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。按照產(chǎn)品產(chǎn)量和從業(yè)人員的數(shù)量，排在前幾位的是化纖工業(yè)、礦物化學(xué)工業(yè)（鉀肥的開采）、基礎(chǔ)化學(xué)和石化工業(yè)。這些工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品，占白俄羅斯石化行業(yè)產(chǎn)品總量的80%，是石化工業(yè)主要的出口商品。 （三）電子工業(yè) 在電子特別是在微電子領(lǐng)域有著強(qiáng)大的研發(fā)能力和世界先進(jìn)水平的集成電路制造設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，長期為俄羅斯尖端設(shè)備配套，并向中國提供了多套集成電路生產(chǎn)設(shè)備。 可見，目前經(jīng)濟(jì)的主要支柱是機(jī)械制造、化工和電子工業(yè)等，該類產(chǎn)業(yè)所涉及到的機(jī)械設(shè)

53、計(jì)和基礎(chǔ)學(xué)科的研究，也是高性能計(jì)算機(jī)所應(yīng)用的主要學(xué)科。借助高性能計(jì)算機(jī)的幫助可以大幅度提高白俄羅斯的機(jī)械制造水平和科技水平，生產(chǎn)出更有競爭力的產(chǎn)品，提高國家經(jīng)濟(jì)競爭力。高性能計(jì)算中心可提升國防實(shí)力國防安全是國家安全的重要組成部分，是一國安全的支柱和基本保證，也是維護(hù)一國國際地位的重要依托。如何保障國民經(jīng)濟(jì)，國防安全，公共信息化所需要的高性能計(jì)算機(jī)就是一個不得不考慮的問題。高性能計(jì)算在國家安全領(lǐng)域中也有很多重要應(yīng)用，包括核武器物理的實(shí)驗(yàn)室模擬、航天航空器模擬、高性能常規(guī)武器的性能改良和其它有關(guān)國家安全重大問題。早在20多年前，美國就充分認(rèn)識到高性能計(jì)算對國家科技發(fā)展的重要性。1983年，在美國國

54、防部、能源部、國家科學(xué)基金會及國家宇航局等部門的主持下，以著名數(shù)學(xué)家P.Lax為首的專家小組向美國政府提出報(bào)告，強(qiáng)調(diào)科學(xué)計(jì)算關(guān)系國家命脈，是國家安全、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的關(guān)鍵支撐技術(shù)，呼吁政府加大對科學(xué)計(jì)算和高性能計(jì)算機(jī)的投入，確保美國在這一領(lǐng)域的歷史性領(lǐng)先地位。美國國家科學(xué)基金會自1985年起，連續(xù)五年累計(jì)撥款2.5億美元，支持科學(xué)計(jì)算的發(fā)展。隨后，為了鼓勵科技人員對高性能計(jì)算的研究與應(yīng)用，美國采取了一系列強(qiáng)化措施，包括在國家自然科學(xué)基金、NASA基金以及國家重大科技和攻關(guān)項(xiàng)目基金中把當(dāng)時(shí)全國五大計(jì)算中心的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)作為基金的一部分，以此鼓勵科學(xué)與技術(shù)界充分使用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，

55、增進(jìn)用戶與設(shè)計(jì)者的溝通，推進(jìn)高性能計(jì)算的效能，促進(jìn)高性能計(jì)算機(jī)研制水平的提升。為了在高技術(shù)發(fā)展的世界競爭中爭奪戰(zhàn)略制高點(diǎn)，自上世紀(jì)80年代初以來，美國從戰(zhàn)略需求出發(fā)先后執(zhí)行了三次大的高性能計(jì)算計(jì)劃。第一次計(jì)劃：1983年，美國國防部、能源部、國家科學(xué)基金會、NASA等部門在給美國政府的報(bào)告中闡明發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)和科學(xué)計(jì)算的重要性，當(dāng)時(shí)里根政府正好提出星球大戰(zhàn)“戰(zhàn)略防御倡議”（SDI）計(jì)劃，白宮很快制訂了“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)計(jì)劃”（SCP）。到80年代中后期這一計(jì)劃導(dǎo)致了峰值運(yùn)算速度達(dá)每秒十億次的Cray超級機(jī)（向量機(jī)）和多CPU并行機(jī)等高性能計(jì)算機(jī)的問世。這些計(jì)算機(jī)用于科學(xué)研究和提高武器性能設(shè)計(jì)，特別

56、是在SDI中新概念武器的高性能計(jì)算研究方面發(fā)揮了重要作用。到了80年代末90年代初，美國高技術(shù)武器的性能大大提高。精良的武器裝備使美國在90年代在世界上確立了軍事霸主地位。同時(shí)也快速帶動工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展。第二次計(jì)劃：1993年，根據(jù)美國國家科學(xué)基金會、能源部、國防部、教育部等專家們的倡議，將“高性能計(jì)算和通信”HPCC（High Performance Computing and Communication）計(jì)劃作為重大挑戰(zhàn)項(xiàng)目納入總統(tǒng)計(jì)劃。HPCC計(jì)劃指出，“從以往三十多年來的科學(xué)與工程研究工作的發(fā)展看，高性能計(jì)算已成為能促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個必不可少的重要手段”。因此，該計(jì)劃目

57、標(biāo)是：加快創(chuàng)新步伐，為國民經(jīng)濟(jì)、國家安全、教育與全球環(huán)境提供服務(wù)。計(jì)劃重點(diǎn)是：高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（千億次到萬億次）；先進(jìn)軟件技術(shù)與算法；國家研究和教育網(wǎng)絡(luò)；基礎(chǔ)研究和人才資源等四個方面。該計(jì)劃在科學(xué)和工程計(jì)算方面列舉了若干重大挑戰(zhàn)項(xiàng)目進(jìn)行研究，包括藥物設(shè)計(jì)、高速民用機(jī)、催化作用、燃料燃燒、大氣環(huán)流數(shù)值模型、海洋環(huán)流數(shù)值模型、氣候數(shù)值模型、臭氧消耗、數(shù)字解剖、空氣污染、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、金星圖像等等。這一計(jì)劃的執(zhí)行提升了美國近十年來基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工程設(shè)計(jì)中的重大創(chuàng)新能力。第三次計(jì)劃：1996年禁止核試驗(yàn)后實(shí)施的“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新”ASCI計(jì)劃，目的是實(shí)現(xiàn)以科學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的核武器庫存可靠性、有效

58、性的實(shí)驗(yàn)室研究，以高性能計(jì)算進(jìn)行虛擬核試驗(yàn)，同時(shí)帶動基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。主要內(nèi)容是：(1)發(fā)展從萬億次到百萬億次高效率、用戶滿意的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；(2) 發(fā)展高性能、高精度的應(yīng)用軟件，能三維、全物理、全系統(tǒng)、高逼真度模擬核武器的作用過程，應(yīng)用軟件的研制經(jīng)費(fèi)占了總經(jīng)費(fèi)約一半；(3) 建立解決問題的計(jì)算環(huán)境，包括如何使模擬程序高效使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和確?？茖W(xué)家方便應(yīng)用平臺系統(tǒng)。為了廣泛發(fā)動美國國內(nèi)有競爭力的大學(xué)和其它部門科學(xué)家參與這一計(jì)劃，計(jì)劃提出了很多計(jì)算科學(xué)和物理科學(xué)方面復(fù)雜的理論和實(shí)踐問題以吸引人才。ASCI計(jì)劃明確指出，高性能計(jì)算機(jī)不應(yīng)該以峰值計(jì)算速度作為衡量水平和性能的惟一指標(biāo)，而應(yīng)該以科學(xué)計(jì)

59、算實(shí)際應(yīng)用程序的運(yùn)行速度為主要的衡量指標(biāo)。在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，是否獲得滿意的科學(xué)研究成果，應(yīng)該成為衡量高性能計(jì)算是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。配合ASCI計(jì)劃的實(shí)施，1998年7月，美國國家基金委和能源部發(fā)起并組織了“美國先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研討會”，研討會的報(bào)告與總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會的報(bào)告，均建議增加軟件研究與開發(fā)的基金支持力度，以改進(jìn)高端計(jì)算性能，并且為民用研究團(tuán)體使用下一代萬億次計(jì)算機(jī)打開通道。為此，能源部向政府提交了“從先進(jìn)計(jì)算到科學(xué)發(fā)現(xiàn)”的報(bào)告，以推進(jìn)科學(xué)與工程計(jì)算。這三次計(jì)劃，美國投資約百億美元。由此可見，美國通過有效地組織和建設(shè)國家高性能計(jì)算環(huán)境，以高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為工具，部署開發(fā)各應(yīng)用領(lǐng)域的高端

60、科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件，全面推動其計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動了科學(xué)與工程技術(shù)的全面發(fā)展。通過高性能計(jì)算，美國在過去20年來獲得了一系列重大科學(xué)技術(shù)成就，導(dǎo)致了今天各個領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品，促進(jìn)了高科技國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國防高科技武器的出現(xiàn)，并且獲得了基礎(chǔ)科學(xué)研究的強(qiáng)大創(chuàng)新能力。同時(shí)，日本和歐盟也都在積極推進(jìn)各自的先進(jìn)計(jì)算計(jì)劃。2002年日本研制出地球模擬器（Earth Simulator），一度以每秒35.86萬億次的峰值計(jì)算速度在高性能計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中占據(jù)首位，此后，日本又開始積蓄力量計(jì)劃研制每秒能進(jìn)行1萬萬億次以上浮點(diǎn)運(yùn)算的“超高速計(jì)算機(jī)”系統(tǒng)，試圖與美國在高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一決高下。從上