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为何美国最快的超级计算机都在这里?
发表时间:〖2018/11/30〗    浏览次数:〖357
    最近两天科技领域热点是美国的超级计算机又重登Top500榜首。这套名为Summit的超级计算机计算机拥有200PFLOPS的计算能力,比之前中国的世界第一神威太湖之光快了一倍。 这里我们不过多去讨论这台超级计算机本身,要知道,美国上一台最快的超级计算机Titan和这台Summit都在同一个地方:橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL),这是何方神圣?通过了解这个实验室,我们将了解这个实验室有哪些贡献以及超级计算机的应用有个更具象的了解。

    橡树岭的起源

    橡树岭国家实验室归属于美国能源部,坐落于田纳西州。目前,ORNL是目前公众知道的、美国最大的国家实验室,年度预算14亿美元,主要研究的方向是原子核物理、材料学、能源、超级计算机计算以及国家安全项目。

    橡树岭镇由陆军工程兵团建立, 1942年开工,它的创立是“克林顿工程师”工程的一部分,属于曼哈顿计划的一部分,在孤立的农田上建成。战争期间,芝加哥大学在该基地管理着政府的高级研究。 1943年,“克林顿实验室”的建设完成,后来改名为“橡树岭国家实验室”。该区域被选为研究X-10石墨反应堆,用于研究钚可以由浓缩铀生成。著名的物理学奖费米和他的同事在费米退休之前开发了世界上第二座自持式核反应堆。 X-10是第一个设计用于连续运行的反应堆。

    第二次世界大战结束后,对武器级钚的需求下降,反应堆和实验室的1000名雇员不再参与核武器,而是用于科学研究。 1946年,在X-10反应堆中生产出第一批医用同位素,到1950年,将近2万份核材料从橡树岭走入了各个医院的X光检查室。

    ORNL在二十世纪五十年代进行的大部分研究都是如何将核反应堆作为推进和电力生产;在20世纪50年代,ORNL建造的反应堆比其他非ORNL的机构加起来还多。橡树岭另一个项目是世界上第一座轻水反应堆。凭借其中子减速和普通水冷的原理,它是大多数现代核电站的直系祖先。美国军方为其舰艇的核动力机组研究提供了大部分开发资助。

    美国陆军于1953年承包了便携式核反应堆研究,用于远程军事基地的热能和发电。反应堆由美国机车公司(ALCO)生产,ORNL设计,应用用于格陵兰岛,巴拿马运河区和南极洲。美国空军(USAF)也为三座反应堆提供了资金;并为该实验室配置了第一台电脑;并且出资建造了ORNL第一个粒子加速器。ORNL于1954年设计并测试了一架核动力飞机,作为美国空军远程轰炸机提议的概念,虽然它从未飞过。20世纪50年代X-10提供放射性核素用于药物的产能稳步增长,并且有了更多同位素产品; ORNL是唯一的西方锎 252来源。 ORNL科学家降低了小鼠的免疫系统,并进行了世界首例成功的骨髓移植手术。

    在二十世纪六十年代初期,ORNL大力推动开发核能海水淡化厂。名为“和平之水”的项目得到肯尼迪和约翰逊两任总统的支持,并在1964年联合国会议上提出,但建设成本和公众对核电丧失的信心增加导致计划失败。1962年建立的健康物理研究反应被用于辐射暴露实验,进而推出更准确的剂量限制,剂量计和改进的辐射屏蔽。

    ORNL是当时西方重要的医用放射源材料提供方

    1964年,熔盐反应堆试验开始用于反应堆的建造。它从1966年开始运行直到1969年,并证明了熔盐反应堆的可行性,同时也通过副反应为其他反应堆的提供原料。 高通量同位素反应堆建于1965年,它改进了X-10反应堆的工作,生产出更多的医用同位素,并且可以提高材料研究的准确性。

    在二十世纪七十年代,聚变能力的前景被认为激起了ORNL的研究。一种名为ORMAK的托卡马克,于1971年投入使用,是第一个实现2000万开尔文等离子体温度的托卡马克。在融合实验成功后,它于1973年扩大并改名为ORMAK II;然而,实验最终未能导致聚变发电厂走向应用,直到今天也没有。

    托卡马克装置用于实现可控核聚变新能源,但是到今天也没成功

    美国原子能委员会要求在二十世纪七十年代初期为核反应堆提高安全标准,所以ORNL的工作人员撰写了将近100个需求文档,其中涉及燃料运输和抗震等许多因素。 1972年,AEC举行了一系列公开听证会,强调紧急冷却要求,并且安全要求变得更加严格。

    同样在1972年,ORNL的生物学家Peter Mazur使用液氮冷冻、融化并将受精的小鼠胚胎植入了代孕妈妈,小鼠幼仔出生健康,这项技术在畜牧业中很受欢迎,因为它可以很容易地运输昂贵的牛胚胎,而母牛可以提取多个卵子,因此通过体外受精可以获得比自然受孕更多的后代,提高了畜牧业的效率和产量。

    20世纪80年代为ORNL带来了更多变化,重视效率变得至关重要。ORNL建立了一个加速的气候模拟室,将不同的天气条件下绝缘层材料的抗老化能力。到今天,ORNL依旧是全球领先的大气、气候研究机构。

    看到这里,会发现ORNL从诞生第一天开始就在从事原子能方向的研究,并且有着雄厚的技术积淀,并且成为美国乃至全世界主要的放射性同位素提供者,无论医用的X射线、CT、放疗还是工业用的γ射线探伤,放射性元素都起到了重要的作用。甚至旅行者号探测器能够连续工作几十年,也是同位素电池的功劳。

    我们知道核武器需要实验才能不断进步、改进设计。但真实的核试验对于生态来说是灾难,尤其是核实验导致大气层中碳12的同位素碳14浓度都在升高,在国际舆论的压力下,从部分禁止核试验条约,到九十年代中后期提出了全面禁止核试验条约。

    核爆炸的物理、化学反应对计算-存储的要求极高

    条约签署了有了约束,就不能进行真实的核试验了,但进行核武器研究的国家很多,对核武器的试验也有需求,怎么办?在计算机集群产生超级计算机后,这就成为了超级计算机的一个主要的任务:模拟核试验。核爆炸试验是一系列极其复杂的物理、化学过程,只有超级计算机的运算、存储能力才能达到要求。

    橡树岭作为核科学研究的先驱重镇,显然对于超级计算机来模拟核反应的过程有需求,早在1985年,ORNL就装备了Cray的X-MP计算机。1992年,ORNL正式成立了计算设施(Computing Facility)部门,同年安装了第一台Paragon,这是英特尔早期的超级计算机,1995年部署在ORNL的Paragon XP/S 150,是ORNL首次拥有全球最快的超级计算机,顾名思义,这个产品单个机柜可以实现150GFLOPS的计算。

    此后ORNL一直不断的更新超级计算机系统,近年为我们所熟知的是Jaguar超级计算机,算力1.75TFLOPS,在2009年11月到2010年6月,这台Cray打造的超级计算机是当时世界最快的,后来Cray将其升级,重新命名为Titan,2012年Titan成为当时世界最快的超级计算机,后来被我国的天河超级计算机击败。

    包括现在的Summit,ORNL有如此多的超级计算机,它们都执行了哪些前沿的探索呢?

    超级计算机Titan,当时就不仅仅属于能源部,建造的时候也有美国国家大气和海洋管理局的预算,用于计算复杂的气候变化,包括进行风暴的模拟。超级计算机的计算资源可以申请,所以供不应求,因此要排序任务优先级。比如2009年的一个任务名为CAM-SE,前者CAM是一个群落大气模型,SE是高阶方法建模环境来求解流体和热力学方程,两个合并,可以进行全球大气的高精度建模,如果不是超级计算机跑上若干天,是不会有结果的。

    目前ORNL的超级计算机主要用于以下的项目研究:可持续能源方案、安全的核能系统、先进材料、可持续交通、气候变化、详细了解材料的原子级结构和动力学,其中先进材料我们之前文章介绍过ORNL在锂-硫材料新电池领域的进展。

    在ORNL公布的超级计算成果当中,有相当多都是关于气候、河流这些产生影响的,比如去年的一个就是考察120个飓风过后会对局部河流地理有哪些影响;再比如有研究是超级计算机把超分子聚合物拓展到新的长度,这些研究都非常前沿。

    可以说ORNL由于起步早、预算足,所以长期以来一直拥有全美乃至全世界最快的超级计算机。我国的超级计算机虽然起步晚,但是凭借着努力,已经拥有天河等曾经世界最快的超级计算机。未来,1000PFLOPS,也就是比目前的Summit快5倍的的超级计算机会是抢夺的新制高点,这些超级计算机也必然将在前沿科学探索的过程中担任重要角色,推动科技进步。
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