6000萬億次算力之上：中國“謝耳朵們”的科技狂奔_HPC:CCD

工業社會靠電力，智能社會靠算力，尖端科研靠高性能計算。遠到無窮無盡的宇宙、暗物質，深到3500以下的黑暗深海，近到每一個人身上的細胞結構，這些研究無一不需要復雜、精密的精算能力。目前，上海交通大學李政道研究所內就在從事相關研究，其中包括南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”、尋找系外類地行星“地球2.0”、尋覓新物理的“暗之光”等。該研究所于2016年創立，匯聚了一大批青年科學家，目標是打造前沿科學技術研究的國家戰略科技力量，成為上海科創中心的“璀璨明珠”，技術實力可與哥本哈根大學尼爾斯·玻爾天文學、物理學暨地球物理學研究所相匹敵。和以往的傳統計算機相比，如今科研人員只需要通過筆記本把相關任務提交給高性能計算，通過幾十萬原子級別的全原子模擬來做測試。就在今年4月，上海交通大學125周年校慶時，楊元慶先生決定個人出資1億元人民幣，幫助上海交大建設建設綠色水冷高性能計算中心，目前已正常投入使用，它的加入，使上海交通大學的算力成為中國高校最強。

“18年前用曙光，然后用聯想深騰，80年前為浪潮交大的PI系統上線而歡呼，昨日又為聯想交大思源一號系統上線而激動”，陳民在朋友圈里留下這么一段話，“青蔥變油膩的過程中也見證了國內高性能計算系統的快速蓬勃發展。”

本期顯微故事聚焦這些如美劇《生活大爆炸》中“謝耳朵“一樣的科研學者們，他們的研究看起來高深莫測，但又讓人充滿好奇。

大部分研究都很難在一兩年內看到成果，不僅需要超越常人的毅力，更需要可與世界接軌、甚至超越全球技術的高性能計算能力。

但正像奔涌的海浪一樣，這些中國最值得被尊敬的科研工作者，依然穩打穩扎、蓄勢，等待突破當下的那一刻。

以下是關于他們的真實故事：

文|小北

編輯|卓然

7月，南海。

臺風“煙花”即將到來，在波浪翻涌著的海面上有一艘科考船，整艘科考船只點了一盞紅燈，在昏暗的紅色光暈里，船體左搖右晃。

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甲板上的科研人員們嚴肅地聚集在一起，擺弄組裝手里的設備。

這是一個總長度達60米的探測器，由一個發光球和兩個探測球組成，每一個探測球上都配備了光電倍增管和圖像傳感器。

組裝好后，這個探測器將會放入深海中，用以觀察這片區域海水的介質——他們要捕捉切倫科夫光。

切倫科夫光是高能天體中微子，在進入地球大氣表面衰變后，與水或冰發生碰撞所產生的電磁輻射，呈藍色，當輻射足夠強時，甚至能用肉眼看見它。

海下3500米接收著這些高能天體運動里逃逸出來的中微子，它與水碰撞，形成藍色的切倫科夫光。

船上的這群科研人員來自上海交通大學李政道研究所，他們所要做的，就是探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，通過捕捉高能天體中微子來探索極端宇宙，被稱為“海鈴計劃”。

“捕捉到切倫科夫光，找到它攜帶的超興星爆發等高能天體事件物理過程的信息，我們能看到遙遠的極端宇宙，到底發生了什么。”薛嶠說道，他是參與海鈴探路者計劃的一員，也是上海交通大學一名大三的學生。

深海中微子望遠鏡是什么？簡單來說，它能幫助人類構建完備的多信使天文網，推動粒子物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究。

因此，該計劃也被納入中國科協第十次全國代表大會上提出的“部署一批前瞻性、戰略性、基礎前沿性技術研發項目”、“在深海、深空、深地、深藍等領域積極搶占科技制高點”。

薛嶠等人此行首先要海域水質是否適合作為中微子望遠鏡候選臺址，然后再在深水區域采集相關數據，對全水深海水相關性質進行掃描。

因為PMT對光子高度敏感，所有的探測作業必須在夜間進行。凌晨4點，科考船上的起重機啟動，探測球逐漸沒入水中。令人驚喜的是，這次下放竟然非常順利，水平傾幅度很小。

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圖|深海中微子望遠鏡

薛嶠的導師、首席科學家徐東蓮教授一下子驚喜地叫出了聲，這意味著他們可以省去很多調整的時間。他們本還想再采集一些數據，但“煙花”正在逼近，為了躲避臺風，薛嶠等人不得不從另一個方向駛回。

盡管船上的每個人都通宵達旦地進行數據監測，但在返程的這一刻，所有人都感到由衷的快樂——他們朝著中國建立自己首個深海中微子望遠鏡的目標，向前邁進了一步。

在這個世界上，總有一些仰望星空的人，他們探索未知的奧秘，想辦法解決發現的各種問題，既拓展人類知識的邊界，也探索思考世界的方式。

這是一條漫長的征途，不知道路程有多長、會遇到哪些阻礙，甚至不確定是否真的存在一個終點。

但這個世界上，總是需要這些在征途上探索的尋路者，他們仰望星空、探索未知的奧秘，從而讓人類世界的認知邊界無線拓寬。

在這其中，還有些人終身的奮斗目標是讓宇宙里最神秘、最深不可測的“隱形物質”——暗物質可視化。

暗物質無法被人類肉眼看見，因為它不會吸收和反射光，所以不能被人眼接收，但不可否認的是它確實存在，甚至一定程度影響宇宙。

為了尋找暗物質的蹤跡，上海交通大學物理與天文學院的張駿教授開始尋找星系附近被引力場彎曲的信息圖像，“我們可以通過扭曲的星系圖像反推暗物質的存在、空間分布。”

除了高深莫測的物理前沿科技，還有一些科研人員致力于探索人類身體和疾病的奧秘，生命與物理學院大二的學生鐘博子韜就在研究蛋白質結構與其功能的關系。

在生命科學領域，蛋白質的結構決定了蛋白質的作用，但此前蛋白質的結構一直未能破解。

今年7月，鐘博子韜所在的Deepmind實驗室基于進化過程中蛋白質位點之間的進化關系，深度學習蛋白質結構的演化過程，推出能預測蛋白質結構的平臺AlphaFold，可預測出35萬種蛋白質結構。

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鐘博子韜希望在解密蛋白質結構與其功能的關系后，基于所需功能反向推到蛋白質結構，從而在未來通過創造新蛋白、治療疾病。

深海、宇宙、人體，無論是哪個領域都存在著這些追逐微光的科研者，他們上下而求索，尋覓一切未知，但夢想很宏偉，現實卻往往布滿荊棘。

這些復雜而精確的研究，往往需要龐大的計算能力，人腦、普通計算機都無法勝任，誰來幫助這些科學家呢？

這些看起來“非常酷”的研究，往往也遭遇著不少現實的困難。

以薛嶠所做的項目為例，在探測水質結束后、下放中微子望遠鏡之前，他們需要先通過計算機模擬光子在水下的軌跡情況，設置探測器距離，進而由計算機模擬每個光子經過這段水的路徑。

但這些參數整體的運算量非常龐大。

以光子總數為例，通常是500萬個，而此次探測海水，則經過了3000余個不同的點位，這意味著每個點位都需要跑500萬的光子，這樣大體量的數據模擬，必須使用高性能計算才能實現。

還有此次探測時首次使用到的CCD技術。

在理論上，圖像傳感系統同樣能探測中微子，但目前世界上還沒有一個國家實現這一猜想。在此次海鈴探路者行動中，他們在使用PMT方法的同時，也加入了CCD探測。

后者探測了數百個數據點，每個點都要多輪復測拍照，照片數量同樣十分龐大。這意味著他們很難用人力完成此事，也必須借助高性能計算。

圖|投入使用的楊元慶科學計算中心

研究暗物質的張駿也遇到了高性能計算的需求。

在他所研究的領域，引力透鏡效應有強弱之分，在強透鏡區域，星系一般會形成多個背景源的像，甚至圓弧，而弱透鏡區域則只產生比較小的扭曲。

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張駿研究的是弱引力透鏡效應，這意味著他需要通過對大量背景源像的統計分析，才能估算大尺度范圍內天體質量的分布。

以2萬次曝光的星空區域為例，里面大概有2萬星系，他就需要處理4億的星系數據。

即使是在800個CPU核的高性能計算設備上跑，在已經優化過的情況下，也要跑上一兩天，更不要說人力去處理了。

圖｜張駿在接受采訪

陳民的研究則需要更強大的算力。

他所研究的激光攜帶巨大的能量，而等離子體態是完全離化后的狀態，溫度極高，很難控制，因而他需要依賴計算機去模擬激光尾波加速的過程。

陳民用大量的模擬粒子來代替真實粒子，盡管有所簡化，但數據量依然達到10的十幾次方，數據量也通常在幾T、幾P，僅一個計算就需要兩三千個CPU核跑一下午、甚至一天的時間去處理。

“激光因為本身的特殊性，需要大量的計算機模擬，以及相關程序的研制和物理模型的構建。在激光等離子體領域，高性能計算機的作用可以和實驗并重，甚至在我看來，它比純理論還要重要一點。”

鐘博子韜則是利用超級計算機，修改了AplhaFold的運行流程。

原流程全在CPU上運行，對大型集群計算設備的要求高，但這種研究條件并非人人具備。

鐘博子韜利用高性能計算，將AlphaFold原本要消耗CPU和GPU的部分拆分開來，分別放置在不同的硬件設施上運算，大大提高了AlphaFold的效率，資源利用率是原流程的425倍，GPU運算效率是原流程的14倍，在減少了對設備的需求和運行時間后，后續基于蛋白質結構研究其功能，就能更快地稱為可能。

在當代的科研里，高性能計算機越來越成為不可或缺的綠葉和基石，大量的數據計算和模擬實驗都需要依托超級計算機實現，這時哪里擁有更大的算力，哪里就能幫助實驗更順利的展開。

摩根士丹利分析師：比特幣采礦盈虧平衡點在8600美元 預計采礦設備價格將下降: 據CNBC報道，摩根士丹利分析師在周四的一份報告中稱，假設電費非常低（0.03美元/小時），大型采礦池的盈虧平衡點應該是8600美元，因此比特幣采礦硬件的需求和價格將進一步下降，并影響芯片制造商臺積電的芯片需求量。報告中還表示，新挖礦能力的注入將進一步增加下半年的挖礦難度。根據模型，即使比特幣價格在下半年保持不變，我們認為礦業利潤將迅速下降。[2018/4/20]

為了更好幫助科研人員進行前沿研究，今年4月10日，在上海交通大學125周年校慶時，聯想集團董事長兼首席執行官CEO楊元慶先生決定，捐贈1億元人民幣，幫助上海交大建設建設綠色水冷高性能計算中心。

這一高性能計算中心位于張江科學城的李政道研究所實驗室內，是其中的算力基座和“最強大腦”。

楊元慶本身也是上海交大81級計算機科學及工程系校友。在他讀書的年代，即便是計算機系，整個系里也只有一臺電腦，當時他們一星期只能用2個小時的計算機。

但現在，隨著高性能計算機的發展，所有的科學研究都能基于高性能計算向前更快速地邁進。

12月14日早，高性能計算中心揭牌，楊元慶特意提前了半小時到達現場，只為了來二樓的計算中心提前見見幾位教授學者，看看高性能計算中心還存在哪些需要優化的地方。

圖|楊元慶在活動現場和學者們交談

楊元慶還對在場的學者們表示，在使用高性能計算中心之后，一定要把好的方面和不好的方面都告訴他，以便聯想未來改進和調整。

這是一次愉快的交談，他們討論蛋白質的酶如何催化DNA的合成與存儲，討論計算機模擬激光聚變的多體計算，討論深海中如何探測中微子，以及在這些研究的過程中高性能計算所能起到的作用。

相較于傳統技術，該高性能計算中心采用聯想最先進的高性能計算產品與技術、以及聯想獨創的“海神”溫水水冷技術，節約能耗成本40%以上，在增強算力的同時助力實現國家碳中和目標。

這一綠色水冷高性能大型科學設備被命名為“思源一號”，擁有共計60566個CPU核。在全球HPCTOP500中，思源一號排名132位，居中國高校HPC算力排名第一。

圖|投入使用的楊元慶科學計算中心

陳民所研究的方向里，涉及凝聚態中的多體計算，因為是多體，需要的計算空間非常大。

在提交任務之前，他們需要用高性能計算做好一步一步的優化，確保萬無一失之后，再提交大規模的任務。思源一號在CPU核數和算力上的增加，能很好地幫他進行實驗模擬。

對陳民來說，計算機技術的進步，對激光研究非常利好。由于計算機的算力直接與激光的計算和模擬息息相關，激光領域也因此和計算機領域高度聯系起來。

他曾經畫過一個圖，發現激光的發展和計算機的發展在早期基本同步，后來因計算機運用更廣泛，計算機的發展便更快，遠超激光。

他研究這個方向研究了20多年，整個世界的學者研究這個方向研究了40多年，到這個階段，配合高性能計算，他覺得激光的研究應該出來一些新的東西了，他希望自己可以推動激光技術的進一步發展。

在張駿所拿到的星系圖像的數據還比較小的時候，他跑去小型工作站去分析數據，那時的服務器很小，只有四十幾個核，少量的數據也要跑30天左右。

他很感激高性能計算的快速發展，他們現在的數據動輒幾十個T，如果不是高性能計算的幫助，研究會很難進行。

更何況，高性能計算對他們的幫助是多維的，不止在于對星系圖像的測量，還包括后續對大量背景源像的統計分析，在海量的數據里，高性能計算能像砂里淘金一樣，快速找到那些“閃閃發光”的信號。

“現在科研工作必須高性能計算來幫忙”，上海交通大學生命與物理學院大二的學生鐘博子韜對楊元慶學長說道。

圖|楊元慶與薛嶠、鐘博子韜和陳民交談

楊元慶還與科研人員們表示，“我現在的夢想，就是用聯想的高性能計算助力我們國家的科學研究和重大項目的開發，讓大家在科學研究領域更加往上去奔。”

鐘博子韜則很期待12月底去申請“思源一號”，他所做的項目對GPU的要求很高，而他知道思源一號的GPU要比目前所用的高性能計算設備更強。

這意味著他或許可以進一步提高AlphFold的運行速度，幫助生命科學領域里的科研人員在研究蛋白質上更進一步。

圖|思源一號

“高性能計算還提供了一個新的機會，有可能創造一種新的研究領域。比如說原來只能一個月做一個實驗的方式。現在用計算機代替它，一次就做幾萬個實驗。“

尾聲

陳民還記得，學生時代國內高性能計算設備很少，當時設備算力跟不上，做一個模擬花了16天，模擬還特別容易斷。

后來聯想出了深騰的高性能計算設備，有上千個CPU核，在當時，已經能很好地幫助陳民做更大粒子量的激光模擬了。

一轉眼，20年過去了。

國家在發展，科技在進步，現在，高性能計算設備已經擴展到了數萬個CPU核，他在技術的日新月異里同樣獲得了在激光領域研究的一些結果。

2021年，高性能計算全球Top500公布，其中有180臺來自聯想，延續了2018年以來的霸主地位，也繼續讓中國在這個榜單上遙遙領先。

“思源一號”的建成，讓上海交大得以超越劍橋和哈佛等名校，躋身全球高校算力前列。

圖|2021年全球知名大學算力排名節選

而在同一天，聯想集團還與上海交大簽訂了戰略合作協議。高級副總裁、首席戰略官和首席市場官喬健表示，聯想集團計劃在未來三年拿出兩個億人民幣，在科研領域、人才培養和新技術孵化三個領域，與上海交通大學攜手共進。

李政道研究所的現任所長、交通大學老校長、中科院院士張杰回憶，作為1956年的諾貝爾物理學家獲得者，李政道總是站在中國發展的每一個最關鍵的時刻、提出了最關鍵的建議，幫助中國在科學技術及高等教育少走不少彎路。

早在多年前，李政道就曾想建立一個屬于中國的科技中心，但苦于當時的經濟社會發展限制，一直未能成行。

如今，張杰接過李政道的“接力棒”，李政道研究所實驗樓和楊元慶計算中心在一個月內相繼落成，讓這個夢想越來越近。

“我們希望能代表中國對世界上自然界中最難理解的奧秘發起沖擊，在解決奧秘的過程中做出中國人獨特的貢獻。“

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