清華非線性地震模擬工具，基于國產處理器實現高分辨率和高頻大規模計算

該成果為以后基于超級計算機的更多應用提供經驗。

11月17日凌晨，在美國全球超級計算大會（SC2017）上，由清華大學地球系統科學系副教授付昊桓領導的團隊所完成的“非線性地震模擬”獲得國際高性能計算應用領域最高獎“戈登·貝爾”獎（ACM Gordon Bell Prize）。20日，清華大學地球系統科學系召開了成果發布會。

背景

非線性是指兩個變量間的數學關系，不是直線，而是曲線、曲面或不確定的屬性，是不成簡單比例（即線性）關系的。

非線性是自然界復雜性的典型性質之一，與線性相比，非線性更接近客觀事物性質本身，是量化研究認識復雜知識的重要方法之一。

故而，在對于現實情景的建模中，非線性方法的選擇對于模型的準確度至關重要，而建模是將計算機與實際應用聯合在一起的“關鍵節點”。

關于“戈登·貝爾”獎，它正是為了鼓勵將超級計算機的超強計算能力投入應用之中而設立的獎項，該獎設立于1987年，是國際高性能計算應用領域的最高獎項。

過去30年，美、日研究人員憑借運行在美國“泰坦”超級計算機、日本“京”超級計算機上的應用，都曾連續獲得該獎項。去年，基于國產超算系統“神威·太湖之光”的“千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”首次獲得該獎項，實現了我國在該獎項上零的突破。

這次再獲“戈登·貝爾”獎，不僅證實了我國科研能力的提升，也助推了我國地震方面的研究。我們都知道，面對地震，即便是科技非常發達的今天，科學家也是束手無策。但是更精準的模擬大地震，不僅能為地震之后預防和控制次生災害發揮關鍵作用，也能為地震預測研究提供重要支持。

研究

據了解，該“非線性地震模擬”是一種高度可擴展性的非線性地震模擬工具，基于我國的超級計算機，該工具充分發揮其處理器的存儲和計算優勢，實現高達18.9PFlops的非線性地震模擬，是國際上首次實現如此大的計算規模下的高分辨率、高頻率的非線性可塑性地震模擬。

在實驗中，由清華大學、北京師范大學和山東大學組成的聯合研究團隊針對“神威·太湖之光”的系統特點，設計了從進程到線程的一整套優化方案。結合該方案，他們對具有海量代碼任務的經典大氣模式CAM進行重構設計，將其成功地移植到國產超級計算機平臺上，并利用千萬核規模實現了每天3.4年的數據計算模擬，且該計算模擬的分辨率達到25公里。

此外，對模型的動力框架部分，該方案實現了千萬核規模下750米的分辨率及3.3PFlops的計算性能。

基于該模擬工具，研究團隊不僅可以實現對唐山大地震的高精度模擬，還可以實現對卡特里娜颶風整個生命周期的準確模擬。

總結

該工作對以后面向E級（百億億次）計算系統的應用開發具有重要借鑒意義，并在程序設計、優化方法等方面提供了寶貴經驗。

據悉，該成果由清華大學地球系統科學系、計算機系與山東大學、南方科技大學、中國科學技術大學、國家并行計算機工程技術研究中心和國家超級計算無錫中心等單位共同完成。

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