天府最强“脑洞” ，如何当好科学家手中的计算器

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今天（10月9日），四川日报在第05版的特别报道中，在“喜迎二十大”的报眉下，以《国家超算成都中心算力排进全球前十 天府最强“脑洞” 如何当好科学家手中的计算器》为题，整版报道了位于四川天府新区的国家超算成都中心作为天府最强“脑洞”，正在上演一场变形记，未来也将有更多可能……

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天府新区兴隆湖东南角，一座蓝色立方体建筑格外显眼。建筑侧面，穿过一个不起眼的门洞，就进入这栋建筑的内部。不起眼的门洞背后，“藏”着天府最强“脑洞”——国家超算成都中心（下称“超算中心”）。一排排黑色服务器整齐安放，“最强大脑”在这里昼夜转动。

提及超算中心，往往会说到这样一组数据：算力排进全球前十，最高运算速度达10亿亿次/秒——每秒钟计算量，相当于全球76亿人每人每秒计算一次，连续算上5个月。

↑ 国家超算成都中心丨摄影：马骥（未经授权，请勿转载）

但这种定量描述方式，并不能直观解答这个问题：它到底能用来干啥？

“曾经有人用水来比喻‘功夫’——把水倒入杯子，水就变成了杯子状；把水倒入茶壶，水就变成了茶壶状。我觉得用这个比喻来描述超算中心也恰当。”10月8日，超算中心运行维护部部长李佳佳介绍。

在不同使用者眼里，超算中心有着不同的形态：有人说，它像一双明亮的眼睛，能让大家有机会更清晰地仰望星空；也有人说，它是一片肥沃的土壤，能生长出更有营养价值的口粮……

巴蜀大地上，这个天府最强“脑洞”，正在上演一场变形记，未来也将有更多可能。

超算中心是一双更明亮的“眼睛”

透过这个“瞳孔”能更清晰地探索星辰大海

成都理工大学行星科学中心办公室里，副教授周游的电脑显示屏上，两个球体碰撞在一起。碰撞、融合、分裂……剧烈碰撞之后，再逐步重新形成两个新的球体。

“每次看到这个过程心中都很感叹，宇宙万物似乎都遵从着一些基本规律，从毁灭到重生，先‘破’后‘立’。”他说。

这个看似简单的过程，并不简单——碰撞的过程，由2000万个粒子模拟构成。

这是超算中心通过算力，进行的一场月球形成过程的数字化模拟。

业界对月球形成的一个主流说法是：约46亿年前，一颗与火星大小相仿的星体，与地球发生碰撞，碰撞形成的大量熔岩碎片飘散在地球轨道之内，经过长时间聚集，逐步形成了我们看到的月亮。

周游所研究的，就是通过数字化手段去还原这个推断，这并非易事。早在2001年，国外就有科研工作者对这个假说进行了探索，但受制于当时的算力水平，整个模拟过程只使用了6万个粒子。

↑ 国家超算成都中心一角丨摄影：黄尚斐

“碰撞过程中产生的各种尘埃、碎片远不止这个数，当时的模拟只能看个大概，而且这个大概还很粗糙。”周游表示，要看得更精细更准确，提升模拟过程中的粒子数是关键。“这个数量好比图片的分辨率，粒子数越多，分辨率越高，我们才能看得更清楚、模拟得更精确。”

提升“分辨率”却是一件极难的事。“每增加一个粒子，它的热量、大小、状态，都会对自身及周边其他粒子造成不同影响。这相当于形成了多个变量元素，给算力增加了更多负担。”这意味着，粒子数的增多，对算力要求将呈指数级增长。

“这样说吧，如果将粒子数提升到百万级，用现在最先进的工作站模拟一次碰撞过程，需要以年为单位计算。”而周游在最新碰撞模拟中“搞”了一件大事情——把粒子数提升到了2000万。

这个看似不可能的算力任务，仅耗时3个月就完成了。距周游办公室40公里外的兴隆湖畔，超算中心主体机房内，800个算力核心为他完成了这次计算服务，而这只动用了超算中心极小一部分算力。

其间，成都理工大学团队与超算中心的工程师们碰头数十次，进行软硬件匹配调试。“很难想象，如果就近没有这样一个强大的算力体，我的工作进展将受到怎样的制约。”周游说。

在周游看来，超算中心就是一双更明亮的眼睛，透过这个“瞳孔”能更清晰地探索星辰大海。

超算中心是一片更聪明的“土壤”

通过这个“坑洞”大食物观的“种子”自然生长

“我们国家每年要进口1亿吨左右大豆，这很不安全。”10月8日，节后上班第一天，中国农业科学院都市农业研究所首席科学家任茂智早早来到办公室。

“这颗小小的大豆，它既是我们所需植物蛋白的重要直接来源，又是我们所需动物蛋白的重要转化来源。换言之，我们需要吃它，我们要吃的畜禽也要吃它。”任茂智说。

另一个实际情况是，我国山多平原少、人多地少——人口占全球比重近20%，拥有耕地面积占世界9%；淀粉类农作物基本能自给自足，但80%以上大豆依靠进口。

破解这个难题，是农业科研领域当下最热课题之一。在成都，任茂智想用新手段来尝试：把它“算”出来。

他和团队正在研究，用单细胞藻类一定程度替代大豆，成为蛋白质来源。但应该选择哪些藻类？如何培养它们？这两个简单的问题背后，却是一个庞大的数学工程。

任茂智说，一个小小的单细胞螺旋藻，拥有30亿个基因组碱基对，和人类差不多。“这是一个巨大的数字，我们要找到关键的功能基因、筛选关键基因、进行比较鉴定，这都需要算力支持。”

任茂智对此充满信心。此前，他借助超算中心算力，对蛋白质结构进行过快速精准预测。若按传统方法来解析，一个蛋白质结构就需要耗时数月甚至数年，时间成本巨大。“依托超算中心搭载的AlphaFold2模型，只花了几天时间，就计算出蛋白质相互作用的过程。”

他坚信，这次研发能对大豆的替代起到不小推进作用。目前，他们已初步将目标锁定在一类蛋白核小球藻上。“按照大豆40%的蛋白质含量算，补齐4000万吨蛋白质缺口，需要七八亿亩耕地。要腾出这么多耕地来种大豆，太难了。”而通过工业化生产方式培育蛋白核小球藻，1亩地上的蛋白质产量，相当于种植1000亩大豆，这意味着只需要70万至80万亩土地就能完成这个目标。

在任茂智的办公桌上，摆放的盆景是一黑一白两盆香菇。“这也是我们通过算法，找到控制颜色的基因后培养出来的。”任茂智说，超算中心是一片更聪明的土壤。在这片土壤的“坑洞”里，能生长出更丰富的口粮，大食物观的“种子”也能自然生长。

超算中心有一个更优质的生态

利用这个“脑洞”让“智慧”的力量在这里聚集

“如同农业时代的水力、工业时代的电力，算力是数字经济时代的核心能力。”李佳佳说。

超算中心这个核心能力的极点，已经将它的能力覆盖到更广阔领域——自2020年9月投运以来，超算中心先后为北京、上海、广州、重庆等35个城市的760余家用户提供了算力服务，服务领域涵盖航空航天、装备制造、新型材料、人工智能等30个领域，包括高海拔宇宙线观测站等13个国家重大科技基础设施、国家级课题。

目前，超算中心完成用户计算任务数超1900万个，协助招引企业80余家。

“从最直接角度看，超算中心就是一个工具，一个科学家手中的计算器。”李佳佳说。

从意义上看，超算中心填补了国家超算体系在西部地区布局的空白，对于提升四川省承接国家重大科技创新和战略性项目的能力，聚集高校院所、科研企业，吸引领军型科技创新人才，加快科研成果的转化和应用具有重大意义。

此外，这个经科技部同意组建的国家战略性信息基础设施和科技创新战略平台，对加快打造全国一体化算力网络成渝国家枢纽节点，让四川全面融入“东数西算”工程也具有重要支撑作用。

“从产业发展角度看，超算中心正在营造一个更优质的数字经济生态。”李佳佳介绍，超算中心的具体服务，包含了计算资源、软件开发、重大科研项目、人才培养引进、计算产业化推广等5个方面，目前已和200多家单位建立了合作，CPU计算利用率已超过40%。

这还是一个更绿色的生态。在超算中心的机房内，可以听见隐约的水流声。“这是机房服务器的液冷系统在运转。”李佳佳介绍，超算中心创新采用全球领先的浸没式相变液冷技术，为超算核心设备提供高效换热，同时最大限度地降低能耗，与传统数据中心相比较能节能50%。这种模式每年可节电5000万度，节省电量可供成都市1.7万个家庭全年使用。

“希望在这个更绿色、更优质的生态上，能找到更多合作伙伴，我们一起在数字经济时代里脑洞大开，为四川经济社会高质量发展提供智慧助力。”李佳佳说。

对话

有了超算中心我们还缺啥

10亿亿次/秒的运算速度，让超算中心站在了全球算力的头部行列。但站在更高视野看，数字经济要得到高质量发展，仅仅拥有强大装备是不够的。

如何让算力——数字经济时代的核心能力发挥最大价值？有了超算中心，我们还缺啥？采访间隙，记者将这个问题抛给了超算中心的使用者和运行维护者们，请他们谈谈自己的看法。

↑ 摄影：周勇良

成都理工大学行星科学中心副教授周游：

补齐天体运动模拟软件短板

现在需要突破的一个关键瓶颈，是天体运动模拟软件。2000万个粒子数能不能再突破，限制不在算力硬件上，而在软件上。目前使用的软件为自主研发，2000万个粒子体量已是其承载极限。在行星科学研究领域，国外的模拟软件体系要成熟很多。

如果把超算中心比作高速公路，软件跟不上，就像是在高速公路上跑拖拉机，速度还是提不起来。而行星科学领域的一套成熟软件，往往需要5至6年的迭代才能逐步成型，这是一个比基础科学还“冷”的“冷板凳”。

我们要想在这个领域走在全球前列，就必须补齐软件短板。成都在这方面优势明显，希望能和合作伙伴联手解决这个难题。

超算中心运行维护部部长李佳佳：

软件人才相对容易流失

超算领域人才目前还比较缺乏。当前高校相关人才培养体系、培养计划和课程设置，相对而言还落后于超算应用领域的人才需求，尤其是超算软件人才需求。

另外，我们的科研评价体系在对超算应用软件的评价上还不够完备，加上科研经费目前对超算软件的倾斜度较弱，也一定程度上导致软件人才相对容易流失。希望今后能在体制机制上予以倾斜。

↑ 国家超算成都中心夜景丨摄影：周勇良

中国农业科学院都市农业研究所首席科学家任茂智：

提升农田智慧度需要更多算力支持

从我自己从事的领域看，我们需要在农业固碳领域下功夫，智慧农田是研究方向之一。智慧农田中，物联网收集的各项指标参数是一个庞大的数据量，超算中心的算力支持，能够更好地将这些数据用起来，提升智慧农田的智慧度。

在这个过程中，我们能对一些农作物的基因设计进行重新优化，让它们固定更多二氧化碳，进而把太阳能转化为化学能。这样在提高产量的同时，能进一步改善生态环境。

原标题：《天府最强“脑洞” ，如何当好科学家手中的计算器》

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