百億億次級的時代給我們帶來什麽？例舉4項重大科學進步

自從1946年2月14日美國賓夕法尼亞大學誕生了世界上第一台可編程序的通用計算機ENIAC,使這個星球上的人類的文明和生活方式進入了飛躍式變化的高速道。在這之前，誰能想到現在的衛星導航、能放在口袋裏的無所不能的神奇手機、能做細微外科手術的機器人——這些故事在過去，即使是最富有想象力的古代幻想家也是始料未及。世界上若是真的有“神”？原來這個“神”還是人，這是因為他們掌握了電腦！

為了慶祝百億億次級計算機日，Argonne國家實驗室重點介紹了一些準備在即將到來的百億億次級計算機極光（Aurora)上取得科學突破的項目。

美國第一批百億億次超級計算機之一正在美國能源部(DOE)的Argonne國家實驗室安裝。它被命名為Aurora，其高計算速度和人工智能能力將在一係列科學領域實現今天不可能實現的科學，從氣候和材料科學到能源存儲和聚變能源。

為了準備“極光”的到來，15個研究小組通過阿貢領導計算設施(ALCF)參加了“Aurora早期科學計劃”，這是美國能源部的科學用戶設施辦公室。通過使用早期的Aurora硬件和軟件，這些研究人員正在為係統的架構和規模準備代碼。

以下是一些準備在“極光”上取得科學突破的項目。

1.繪製大腦的複雜連接

Argonne大學的研究人員正致力於開發一種大腦連接組——大腦中所有連接的綜合地圖。這樣的地圖將使研究人員能夠回答諸如大腦結構如何受到學習或退行性疾病的影響等問題。大腦是如何老化的?在超高分辨率成像技術和更強大的超級計算資源出現之前，這類研究幾乎是不可能的。

Argonne高級計算機科學家Nicola Ferrier在他的表述中稱：整個老鼠大腦的計算時間大約相當於目前超級計算機的100萬天。使用整個Aurora，如果一切都運行良好，仍然需要1000天就可以重建大腦連接組的問題需要百億億級以上的資源。

2.可視化癌細胞如何擴散

癌細胞可以通過血管從身體的一個部位擴散到另一個部位，這個過程被稱為轉移。了解這是如何發生的可以指導新的藥物和治療方法的開發，但這一過程仍然籠罩在神秘之中。一個模擬全身血液流動的模型可以在微觀水平上預測癌細胞的運動。

杜克大學助理教授阿曼達·蘭德爾斯對這方麵表示看法時說：開展人們對轉移過程的新研究並進行所需的複雜模擬意味著我們需要更強大的計算能力來實時處理大量數據集，極光係統將幫助人們滿足這一需求。

3.為實現可持續核聚變能源鋪平道路

核聚變等離子體有潛力成為一種清潔能源，但在超高溫水平下，它需要被安全控製，它的不穩定性必須得到控製。科學家們正在開發預測模型，以增加中斷的預警時間，並致力於消除可持續清潔能源生產過程中核聚變反應的重大中斷。

普林斯頓大學天體物理科學教授、美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室首席研究物理學家威廉·唐說:要使經濟的核聚變反應堆可行，你真的必須能夠預測並控製這些幹擾，為了訓練預測器達到所需的高精度，你必須使用更強大的百億億級超級計算機，這就是我們現在正在做的。

4.加速尋找宇宙的組成部分

物理學家已經發現，除了質子、中子和電子，物質中還有更多的東西。但是否存在比誇克和輕子更基本的粒子呢?研究人員希望通過在百億億次計算係統上模擬碰撞事件來找到答案，從而為大型強子對撞機的ATLAS實驗提供信息。

Argonne國家實驗室(Argonne National Laboratory)的助理物理學家沃爾特·霍普金斯(Walter Hopkins)解釋說：基礎研究可以給我們帶來可能導致社會變革的知識，但如果我們不做研究，它就不會帶來任何東西。”

Argonne領導計算設施為科學和工程界提供超級計算能力，以推進廣泛學科的基礎發現和理解。ALCF由美國能源部(DOE)科學辦公室高級科學計算研究(ASCR)項目支持，是能源部在全國致力於開放科學的兩個領先計算設施之一。

Argonne國家實驗室美國第一個國家實驗室，Argonne在幾乎每一個科學學科中都開展了前沿的基礎和應用科學研究。Argonne的研究人員與來自數百家公司、大學、聯邦、州和市政機構的研究人員密切合作，推動美國的科學領先地位。

杜克大學的研究人員正將使用Aurora百億次級電腦係統來推進對生物參數在確定腫瘤細胞軌跡中的作用與理解