中國網(wǎng)／中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 科學(xué)計(jì)算是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理科學(xué)研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程技術(shù)中，常常遇到大量復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算。其復(fù)雜程度往往超越了人腦運(yùn)算的能力，必須使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。而計(jì)算科學(xué)的應(yīng)用水平已成為衡量國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一；其應(yīng)用的深入程度則反映出對科學(xué)問題探索與理解的深度。2013年10月，美國哈佛大學(xué)Martin Karplus教授、斯坦福大學(xué)Michael Levitt教授和南加州大學(xué)AriehWarshel教授3位科學(xué)家獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是“為復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型”。評選委員會在聲明中指出，對當(dāng)今的化學(xué)家而言，計(jì)算機(jī)已成為與試管同等重要的工具，計(jì)算機(jī)對生命現(xiàn)象的模擬已為化學(xué)大部分研究成果的取得立下了“汗馬功勞”。這無疑會進(jìn)一步加深各學(xué)科對計(jì)算模型和計(jì)算科學(xué)的認(rèn)識與應(yīng)用，并將引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展進(jìn)入下一波浪潮。

高性能計(jì)算應(yīng)用需應(yīng)對高度異構(gòu)的挑戰(zhàn)

自20世紀(jì)中葉后，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，其計(jì)算能力不斷地得到提高。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，高性能計(jì)算在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域已逐漸成為不可或缺的重要手段之一。近年來，高度異構(gòu)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)高速互聯(lián)是現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的重要發(fā)展方向。而對于若干典型的高性能計(jì)算應(yīng)用，通訊與計(jì)算能力不匹配的矛盾較為突出。一般說來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理器和加速部件往往達(dá)到幾千億次至幾萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，而目前性能較好的內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬雖達(dá)到了200 Gb，仍然相對較慢。

超大規(guī)模科學(xué)計(jì)算的顯著特征是可計(jì)算問題的規(guī)模巨大，TOP500①排名前十的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般擁有千萬個(gè)以上數(shù)量的處理器核心，按照單處理器核心可處理100萬個(gè)未知量來計(jì)，這意味著可計(jì)算處理具有1萬億個(gè)自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。即便如此，當(dāng)今世界上計(jì)算能力最強(qiáng)的這些高性能計(jì)算機(jī)在那些復(fù)雜度更高的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用對計(jì)算能力幾乎無止境的需求面前，也顯得杯水車薪。因此，應(yīng)用和計(jì)算科學(xué)家往往不得不采用簡化模型、對計(jì)算問題進(jìn)行預(yù)條件處理和采用混合精度等手段來降低計(jì)算量。從算法的角度來說，美國超算領(lǐng)域的著名數(shù)學(xué)算法專家Colella于2004年提出了科學(xué)計(jì)算的7種算法模型，即結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格、快速傅立葉變換（FFT）、稠密線性代數(shù)（Dense Linear Algebra）、稀疏線性代數(shù)（Sparse Linear Algebra）、粒子動力學(xué)（Parti＆shy；cles）、蒙特卡洛（Monte Carlo），被稱為“七個(gè)小矮人”。這7種算法模型對高性能計(jì)算機(jī)提出了不同方面和層次的需求，也基本覆蓋了常見高性能計(jì)算應(yīng)用。