加利福尼亚的地震风险促进HPC发展

IBM公司的10千万亿次计算机系统将在2011年被用于运行地震模拟

随着超级计算机变得更加强大，它还将为解决人类一些最大的问题和威胁做也贡献，而在这项努力中，南加利福尼亚地震中心主任Thomas Jordan正是最前沿的人物之一。

Jordan在描述圣安德列斯断层是说："我们该断层在南加利福尼亚的当前状况非常担心，它就像是一支已经子弹上膛的枪，并且随时有可能走火，它总有一天会释放出规模惊人的地震。"

Jordan和他的团队一直在橡树岭国家实验室的Jaguar系统上模拟地震会对南加利福尼亚产生怎样的影响。在本周以前，Jaguar一直是世界上最快的超级计算机，运算速度达1.75千万亿次。但根据半年一度的世界最强计算机500强排名，这一地位已经被中国的天河-1A型2.5千万亿次计算机夺取。

建设超级计算机的目的是改善研究能力。超级计算机让科学家可以在模拟环境中研究一切课题，从英国石油公司漏油事件对海岸线的影响，到原子水平上的细胞行为，以及地震造成的影响。

Jordan说："通常我们只能通过过往经验才能了解这些问题，但我们认为可以通过模拟来确定应该怎样去应对。我们不能预测未来，我们也不能预测地震。但我们确实可以着手进行一些非常详细的模拟，它让我们有了思考的空间。"

这项工作的思路是使用模拟来显示如何为应对地震做好准备。随着计算机处理能力的不断增强，可以利用模拟来建立不同强度的地震模型对社区、基础设施和建筑物造成的影响，它们还可以显示地震会引发哪些火灾风险等次生灾害。

目前，Jordan正在准备在Blue Waters上运行他的应用。Blue Waters是一种规划中的10千万亿次系统（即每秒计算10千万亿次计算），计划于明年开始在伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的国家超级计算应用中心（NCSA）开始运行。Jordan说，这种计算规模意味着原来在Jaguar上需要进行4000个处理器小时的运算工作在Blue Waters上只需770个小时即可完成。一个处理器小时相当于一个处理器核心运行一小时的计算量。

在本周举行的SC10超级计算会议上，Jordan在一次演示中播放了一段视频，展示一次8级地震的能量在南加利福尼亚分散传播的情况。这段视频并不是展示建筑物晃动和道路断裂的景象的好莱坞式作品，它显示的是黄色和红色波峰和波谷在地图上某一区域运动的情况，显示出地震可能会造成最大破坏的区域。此类计算的成果是堆积如山的数据和地图图像，它们的警示作用完全不逊色于好莱坞的影视作品。

Jordan非常需要更强的计算能力。目前，太平洋板块正在以每100年约16.4英尺的速度向西北方向移动。Jordan说："这意味着我们每100年都会遇上规模较大的地震。"

Jordan指出，1906年的旧金山地震造成了约16英尺的位移，地震的强度达7.8级。但在南圣安德列斯断层附近的地区，上一次大地震发生于1857年，而在更靠南的地区，自1680年以来都没有发生大规模地震。两年前，加利福尼亚地理调查局和地震中心估计，在未来的30年中，加利福尼亚发生6.7级或更大规模地震的可能性为99%。

Jordan说，大地震可能要很多年之后才会发生。但"我可以告诉您，所有的地震学家都非常紧张。"

NCSA的Blue Waters 项目副主任William Kramer说，由IBM建造的Blue Waters将具备"同代"中最快的核心。它还拥有最快的内存基础设施和最快的连接，"这意味着Blue Waters系统中的数据移动速度比目前的其它系统都要快，而且事实上未来几年中将要部署的其它系统都无法与之相提并论。"NCSA是负责监督该系统开发工作的机构。

Kramer说："在这一组合中，速度快的不仅仅是核心，而是数据的传输速度，而这正是Blue Waters实现重大突破的秘诀。"

Kramer说，该系统的基本构成单元为一个32核心SMP – 也就是四个8核心Power 7芯片，它们采用共享式内存和一个操作系统镜像，能够产生约1万亿次合并计算能力。互联速度约为每秒1.1TB，而且该系统在设计时尽可能减少了数据移动过程中的跳跃次数，因为每一跳都会增加时间。Kramer说："在通常情况下，如果想从系统中的一个核心移动至另一个核心，最糟糕时需要5跳才能到达。"

该系统将拥有超过30万个处理核心。

该系统的硬件将于明年到位，而预计科学研究交替在今年年底开始。这套系统将占用约5000平方英尺的空间，加上支持性基础设施和所需的存储设备后，占用的空间还会翻一倍。为容纳Blue Waters及其它系统，目前正在建设一幢新的建筑，而且新建筑在设计时还将未来的需求也考虑在内。新设施可以提供1亿瓦的电力支持，而Blue Waters自身的功耗约为12兆瓦。Blue Waters采用水冷形式，同时也使用风冷技术，因此它可以在气温高于80华氏度的较炎热环境中运行。

包括计算机在内的整个项目预计将耗资超过3亿美元。

促进人们追求更强计算能力的很多。人们需要更快得到结果，特别是一些紧急情况下，例如医疗卫生研究人员正在为H1N1等病毒的传播建立模型。

在Blue Waters建成这后，2012年还会出现两套计算能力达20千万亿次的系统。其中一套将安置在橡树岭国家实验室，另外一套在Lawrence Livermore国家实验室。

德州奥斯汀大学德克萨斯高级计算中心高性能计算助理主任Karl Schulz说，科学家需要大型系统的原因之一是，这些系统可以运行数千个，甚至数百万个相同类型的模拟。这种方法被称为"不确定性量化"，即科学家使用不同的输入参数和物理原理来运行多种模拟，例如用于天气预报的模拟等，然后开展科学的分析，产生出"保真度更高"的结果或者更好的预测能力。

Schulz说，他们还非常希望用"多物理原理"来运行模拟，例如将流体力学与结构动态力学和化学学科结合在一起。

Schulz说，正是因为这些系统能够解决大问题，因此建设超大规模的计算机才有如此的重要性。超大型系统的计算能力将比千万亿次系统强1000倍，而且是Jordan迫不急待想要使用的系统。第一种此类系统可望于2018年正式做好运行准备。

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