又是第一次！
11月中旬，在美國鹽湖城召開(kāi)的全球超級計算大會(huì )上，由中國科學(xué)院軟件研究所研究員楊超等人完成的“千萬(wàn)核可擴展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”獲得了2016年度的高性能計算應用最高獎——“戈登·貝爾”獎。
這是近30年來(lái)，中國超算應用團隊第一次獲得這一被譽(yù)為“超級計算機應用領(lǐng)域諾貝爾獎”的獎項。
戈登·貝爾獲獎證書(shū)
楊超研究員在SC大會(huì )現場(chǎng)介紹項目工作成果
這個(gè)獎項有多大的意義，獲獎?wù)n題到底做出了什么樣杰出的成就，它跟我們的生活又有什么樣的關(guān)系？
從不靠譜的雪說(shuō)起
最近你的朋友圈有沒(méi)有被賣(mài)萌的中國氣象局刷屏？
盡管這次老天爺搗亂，但不得不說(shuō)，絕大部分時(shí)候氣象局和天氣預報還是靠譜的。細想一下，不覺(jué)得天氣預報很神奇嗎？足不出戶(hù)，也不用掐指去算，我們就能知道明天、后天乃至一周內的天氣變化，這豈不是諸葛再世，孔明重生。
獲獎工作跟天氣預報有著(zhù)密切的關(guān)系，你瞧，名稱(chēng)中的“大氣動(dòng)力學(xué)”，這可正是氣象學(xué)家預測天氣的法寶之一。要了解獲獎工作的意義，我們先得來(lái)了解一下科學(xué)家們是怎么用計算機來(lái)進(jìn)行天氣預報的。
氣象學(xué)家的登場(chǎng)
如果現在在你頭頂有一片黑壓壓的雨云，而天上又正刮著(zhù)北風(fēng)，把雨云往南吹，那你是不是可以預測南方某個(gè)地方即將迎來(lái)一場(chǎng)大雨？
這是人們依據生活經(jīng)驗或常識的天氣預報，但要準確的說(shuō)出這場(chǎng)雨的具體時(shí)間、地點(diǎn)、雨量大小、延續的時(shí)間，這就遠超出人們的經(jīng)驗和常識了，需要科學(xué)家出場(chǎng)“施法”。
首先出場(chǎng)的是氣象科學(xué)家，他們需要發(fā)現天氣變化的真正奧秘所在，并把這個(gè)奧秘清晰的呈現出來(lái)。用科學(xué)的語(yǔ)言說(shuō)，那就是氣象學(xué)家需要分析出天氣變化與哪些因素有關(guān)，并用一些數學(xué)方程描述出這些因素和天氣變化的內在關(guān)系。
獲獎成果中的“大氣動(dòng)力學(xué)”方程組就是氣象氣候中最重要的奧秘之一，它研究的方程長(cháng)得就像下面圖示一樣，看起來(lái)很復雜。不同的符號代表了不同的物理量，包括速度、氣壓、濕度等。不同物理量可以千變萬(wàn)化，但不管怎么變化都必須遵循這個(gè)方程所限定的規律——是不是有孫悟空翻不出如來(lái)佛手掌心的感覺(jué)？
獲獎成果所針對的大氣動(dòng)力學(xué)方程組
氣象學(xué)家給出了上面這樣的方程，但計算機可沒(méi)法去理解這個(gè)，這個(gè)時(shí)候就需要計算數學(xué)家出場(chǎng)了。
計算數學(xué)家出場(chǎng)
計算數學(xué)家的最主要任務(wù)是給出求解上面這個(gè)方程的計算方法，也就是算法。首先要做的是離散化。離散化？！蝦米
如果我們現在要對北京城區的天氣情況進(jìn)行計算預測，需不需要對每一個(gè)位置進(jìn)行預報呢？例如需要具體到自己前腳掌和后腳跟兩個(gè)不同位置的天氣情況，或者小區大門(mén)和后門(mén)的天氣情況？
顯然我們不需要這么“精確”的天氣預報。所以通常需要對北京地域進(jìn)行打網(wǎng)格，劃分成一個(gè)個(gè)小格子，每一個(gè)小格子內的天氣是一樣的，這樣要對北京進(jìn)行天氣預報，其實(shí)就是對下面的每一個(gè)小格子進(jìn)行預報。這就是離散化的過(guò)程。
對北京地域的離散化/網(wǎng)格化
大家自然可以知道，網(wǎng)格越密，那就意味著(zhù)預測的精度越高。那為了更精確的預報，是不是越密越好呢？確實(shí)是越密越準確，但密到一定程度以后要更密，那就只能是——臣妾做不到呀。為什么做不到，咱們待會(huì )兒細說(shuō)。
那么北京現在的網(wǎng)格大小是多大呢？度娘說(shuō)啦，現在是3公里，力爭5年到1公里。也就是說(shuō)，在每個(gè)3公里×3公里的網(wǎng)格區域里，氣象局認為天氣是一樣的。
回到計算數學(xué)家的工作上來(lái)，離散化或者網(wǎng)格化是他們工作的第一步，但需要注意的是，實(shí)際的網(wǎng)格可不是像上面地圖一樣是二維的哦，而是包含了高度的三維網(wǎng)格。想想也是呀，刮風(fēng)下雨全在天上呢，研究天氣問(wèn)題，哪能盯著(zhù)地面呀。
離散化之后，每一個(gè)小方格/立方體就是一個(gè)獨立的個(gè)體，有自己的壓力、速度、溫度、濕度等數值信息。其中有些點(diǎn)的數值是我們現在知道的，這主要是通過(guò)氣象站、氣象衛星、氣象氣球等多種途徑采集的數據，根據這些已知點(diǎn)的信息，然后默念氣象學(xué)家給出的大氣動(dòng)力學(xué)、大氣熱力學(xué)等方程口訣，就可以計算推演一段時(shí)間以后，所有網(wǎng)格點(diǎn)的參數信息。這就是數值天氣預報，也就是用計算機算出來(lái)的未來(lái)天氣情況。
計算數學(xué)家最主要的工作，就是將上面的方程翻譯成小方格/立方體之間的計算關(guān)系。這里有差分法、有限元法、有限體積法等多種方法，幾乎每一種方法都凝聚了全世界大量數學(xué)家的智慧，因為一個(gè)好的方法，它必須滿(mǎn)足正確、可靠、穩定、精確、高效等多個(gè)條件。
具體的方法我們就不在這里說(shuō)了，你只要記住，現在，計算數學(xué)家將氣象學(xué)家的神秘的方程口訣變成了可以在計算機上處理的算法了。那下一個(gè)出場(chǎng)的，就該是“程序猿”了。
程序猿來(lái)了
程序猿或者計算機科學(xué)家面臨的任務(wù)，是將算法寫(xiě)成可以在計算機上執行的程序。這聽(tīng)起來(lái)好像很簡(jiǎn)單——
打斷一下，你聽(tīng)說(shuō)過(guò)天河、神威的大名嗎？比如說(shuō)天河二號，神威·太湖之光？如果沒(méi)有聽(tīng)過(guò)，那你就OUT了。
如果聽(tīng)說(shuō)了，你覺(jué)得在這些計算機上寫(xiě)程序是簡(jiǎn)單的事情嗎？要知道，這些可是傳說(shuō)中的超級計算機，而且還是當前世界上最快的兩臺計算機。什么？有多快，神威·太湖之光相當于普通家用電腦的200萬(wàn)倍！在這樣的電腦上寫(xiě)程序，跟在普通電腦上能一樣嘛，難度沒(méi)有200萬(wàn)倍，也得有個(gè)2萬(wàn)倍。
超級計算機為什么有那么強大的能力呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，那就是“人多力量大”、“團結就是力量”！每臺超級計算機都由大量的計算核心（計算節點(diǎn)）組成，計算處理問(wèn)題時(shí)，這些計算核心團結協(xié)作，一起努力工作，這就是所謂的“并行計算”。
計算機科學(xué)家的主要任務(wù)，就是將計算數學(xué)家給出的算法，寫(xiě)成能在超級計算機上高效執行的并行程序。這可不是簡(jiǎn)單的工作。
你現在可以想一件需要完成的工作，例如寫(xiě)一本小說(shuō)、抄寫(xiě)生字1萬(wàn)遍、造一輛汽車(chē)等等，然后設想把這件事情交給1個(gè)人做、10個(gè)人做、100個(gè)人做、1萬(wàn)個(gè)人做，會(huì )是什么情形？10個(gè)人做一定是1個(gè)人做的效率的10倍嗎？當中有人偷懶不干活怎么辦？又或者有人生病了該怎么辦？
計算機科學(xué)家面臨的挑戰和這個(gè)類(lèi)似，他們需要指揮、協(xié)調眾多計算核心，讓它們齊心協(xié)力，不僅要把工作做對，還要做得快、做得好。
還記得獲獎?wù)n題的名稱(chēng)嗎？
“千萬(wàn)核可擴展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”，這次楊超和他的小伙伴們使用了超過(guò)10000000個(gè)核來(lái)計算一個(gè)問(wèn)題，驚呆了沒(méi)？
最后需要補充的是，這三類(lèi)科學(xué)家可都不是獨善其身、明哲保身的人哦，他們通常身兼多職。例如楊超研究員的工作既屬于計算數學(xué)領(lǐng)域，又屬于計算機軟件領(lǐng)域。事實(shí)上，只有身兼多職才有更開(kāi)闊的視野，才更利于合作、研究以及取得成就。
了不起的“千萬(wàn)核可擴展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”
首先，從成果名稱(chēng)上，我們就能清晰的看到多領(lǐng)域科學(xué)家的協(xié)作：
氣象學(xué)家貢獻了大氣動(dòng)力學(xué)；
計算數學(xué)家負責全隱式模擬算法；
而計算機科學(xué)家實(shí)現千萬(wàn)眾核可擴展計算。
當然，還是剛剛所說(shuō)的，這三個(gè)部分不是獨立的，每一部分都需要多領(lǐng)域專(zhuān)家的通力協(xié)作。
我們首先來(lái)了解一下他們到底做了什么工作吧。這可是我辛辛苦苦閱讀了他們長(cháng)達12頁(yè)的論文之后才領(lǐng)悟的奧妙。
楊超和他的小伙伴們這次完成的是一次氣候的數值仿真。注意哦，這里是氣候，而不是氣象。
通常氣候是指某一地區長(cháng)時(shí)期內（30年或更長(cháng)）的天氣狀態(tài)的綜合表現。氣候和前面所說(shuō)的天氣預報針對的是同一個(gè)問(wèn)題，只是氣候通常研究的區域更大，計算的時(shí)間更長(cháng)。它不是用來(lái)對某一天的天氣進(jìn)行預報，而是對整個(gè)地區乃至全球未來(lái)的地理、氣象等因素進(jìn)行推演預測。
所以換句話(huà)說(shuō)，對氣候而言，氣象關(guān)心的那都是小事情。當然，問(wèn)題本質(zhì)以及如前面所述的數值計算的過(guò)程那都是一樣一樣兒的。
但正因為氣候和氣象關(guān)心問(wèn)題的尺度不一樣，它們兩者之間沒(méi)法對接：氣象模擬的網(wǎng)格需要精細到幾公里乃至1公里以?xún)?，而氣候模擬網(wǎng)格通常為幾十乃至幾百公里；氣象模擬的時(shí)間精度要求到小時(shí)乃至分鐘，而氣候模擬通常到天、月、年。
如果能將氣候模擬和氣象模擬對接起來(lái)，那就可以大幅提升彼此預測的準確度，為國計民生乃至全人類(lèi)的發(fā)展有著(zhù)重大的意義。美國、歐洲、日本、中國……，全世界的科學(xué)家們都在為這個(gè)目標而努力著(zhù)。
獲獎成果的現實(shí)或科學(xué)意義正體現于此，它在打通氣象和氣候模擬之路上邁出了標志性的一步。
獲獎成果計算的區域是北緯18度至北緯72度之間，在地球儀上沿著(zhù)兩條線(xiàn)各畫(huà)一個(gè)圓，計算的就是這兩個(gè)圓之間的帶狀區域，差不多占了整個(gè)地球表面積的1/3。然后，記得是三維問(wèn)題哦，從地面往上30公里都在研究范圍內，超出這個(gè)范圍，就認為對地表的的氣候沒(méi)有影響啦。所以，最后實(shí)際計算機需要處理的網(wǎng)格區域大小為40000公里×6000公里×30公里。
在算法層面，他們提出了一個(gè)新的全隱式計算方法，可以快速、正確的求解氣象學(xué)家給出的那個(gè)方程組。和已有的其他算法相比，這個(gè)算法最大的優(yōu)勢在于其高效性，使得更精細的網(wǎng)格成為可能。
事實(shí)上，他們測試的最小網(wǎng)格已經(jīng)到了488米，這比現在北京天氣預報的網(wǎng)格還要??！
也就是說(shuō)，這個(gè)新的算法完全可以用來(lái)解決氣象和氣候模擬不能打通的問(wèn)題。這個(gè)算法比美國的同類(lèi)下一代大氣模擬系統的計算效率提升近一個(gè)數量級（接近10倍或幾十倍）。
計算結果的呈現：溫度在不同模擬日的變化
這么厲害的算法到底是怎么實(shí)現的呢？拜托，這是一篇科普文章，不是科學(xué)研究論文，要感興趣的話(huà)，去聯(lián)系獲獎團隊的成員們吧，他們可有12人呢。不過(guò)，不管他們的算法再精深高妙，本質(zhì)上，可以用兩個(gè)字來(lái)形容，那就是“偷懶”!哦，說(shuō)錯了，其實(shí)是“聰明的偷懶”——干的少，可還干得好！
用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述呢，那就是“在不降低計算結果正確性的前提下，盡可能的減少計算工作量”！計算量少了，計算效率可不就高了嘛。不過(guò)看看他們算法的一些關(guān)鍵詞，“DD-MG預條件子”、“GP-ILU分解”，這是多么的高大上呀。
除了新的厲害算法之外，成果的另一個(gè)主要突破是前面提及的，在高達一千萬(wàn)個(gè)計算核心的超級計算機上實(shí)現了算法，并實(shí)現了高效的并行計算。
聽(tīng)起來(lái)好厲害！具體是什么呢？
就是在40000公里×6000公里×30公里區域上，網(wǎng)格大小是488米（為什么是488而不是500呢，我也疑惑中），總共是1000多億網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格有6個(gè)未知數，最終的未知數個(gè)數約7700億！這樣的問(wèn)題，也只有世界最快的超級計算機和我國最優(yōu)秀的一群年輕科學(xué)家們能夠勝任！
記得前面說(shuō)的臣妾做不到的事情嗎，為什么把網(wǎng)格的尺寸縮小或者說(shuō)把計算的精度提高這么困難呢？這是因為，如果網(wǎng)格尺寸縮小一半，例如從1公里大小縮減到500米，由于處理的網(wǎng)格是三維的，那就是把原來(lái)1公里×1公里×1公里的立方塊剖分成了500米×500米×500米的小立方塊，1個(gè)變成了……8個(gè)！
這樣計算機要求解的未知數的個(gè)數也是原來(lái)的8倍，而求解過(guò)程的工作量可是比未知數的平方還要大，也就是說(shuō)，網(wǎng)格精度每增加一倍，計算機的工作量是原來(lái)的一個(gè)數量級以上！
這下，大家能更好的理解這次獲獎成果的意義了吧，那就是在前所未有的超級計算機上用出色的算法和高效的程序進(jìn)行了一次氣候問(wèn)題前所未有復雜的計算！
未來(lái)，這項研究不僅可以用于高分辨率氣候模擬和高精細數值天氣預報，也有助于提升我國應對極端氣候事件和自然災害時(shí)的減災防災能力，還能在航空、地學(xué)、能源等科學(xué)計算領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景或重要的參考價(jià)值。
最后要提出的是，他們的論文還報告了從氣象科學(xué)家角度關(guān)心的模擬能力。比如3公里網(wǎng)格分辨率下是1.01模擬年/天（Simulated–Years-Per-Day，SYPD），比美國下一代大氣動(dòng)力框架FV3的0.16SYPD提高了好幾倍。
但是，即便是這么厲害的算法，這么快的計算機，要實(shí)際解決超高分辨率模擬的問(wèn)題還得計算很長(cháng)時(shí)間。我們在為楊超和他的小伙伴們歡呼的同時(shí)，也期待著(zhù)更多的氣象氣候、計算數學(xué)和計算機科學(xué)家早日攻克這一難題。
到那個(gè)時(shí)候，我們就可以徹底告別那些不靠譜的雪和不正經(jīng)的風(fēng)了！
拿到國際上去參評會(huì )泄露核心技術(shù)？
中國科學(xué)家斬獲這一獎項后，不少人為之興奮，但也有網(wǎng)友提出疑問(wèn) : 中國人自己的科研項目，拿到國際上去參評，會(huì )不會(huì )因此泄露核心技術(shù)？
楊超研究員對此給出如下回應:
ACM Gordon Bell（戈登貝爾）獎的評審，的確需要發(fā)表論文并作答辯報告，這是事實(shí)，但并不會(huì )因此泄露所謂的核心技術(shù)。
技術(shù)的發(fā)展是不斷演進(jìn)的，尤其是像超算這種高技術(shù)領(lǐng)域。戈登貝爾獎在超算領(lǐng)域享有盛譽(yù)，但是該獎項設立近30年來(lái)，一直被美日等國壟斷。
今年，中國入圍了3個(gè)項目，并最終有一個(gè)奪獎，這不但展示了我們在技術(shù)上取得的突破，也更充分展示了我們在技術(shù)上的自信。中國的強大需要這種自信。
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