1983年，以著名數(shù)學(xué)家Lax為首的調(diào)研小組撰寫報(bào)告指出：“大型科學(xué)計(jì)算具有關(guān)系到國家安全、科技進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特殊重要性，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵部門。 從美國的國家利益出發(fā)，大型計(jì)算的絕對優(yōu)勢不容動搖” 。

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什么是科學(xué)計(jì)算? 它為何在上世紀(jì)80年代就被上升到美國國家利益層面提出？

科學(xué)計(jì)算是指利用計(jì)算機(jī)再現(xiàn)、預(yù)測和發(fā)現(xiàn)客觀世界運(yùn)動規(guī)律和演化特性的全過程，包括建立物理模型，研究計(jì)算方法，設(shè)計(jì)并行算法，研制應(yīng)用程序，開展模擬計(jì)算和分析計(jì)算結(jié)果等過程?？茖W(xué)計(jì)算的興起被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)進(jìn)步之一，著名計(jì)算物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者肯尼斯·威爾遜教授早在80年代就指出，計(jì)算是與理論和實(shí)驗(yàn)并列的三大科學(xué)方法之一。

科學(xué)計(jì)算之所以在20世紀(jì)80年代便上升為美國國家層面的戰(zhàn)略議題，是因?yàn)樗黄屏藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)和理論研究的界限，極大提升了人類對自然界和社會系統(tǒng)的洞察深度，其在諸如生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科中的角色愈發(fā)關(guān)鍵，成為氣象預(yù)報(bào)、能源勘探、航空航天、交通規(guī)劃、制造業(yè)及水利工程等眾多關(guān)鍵行業(yè)的核心技術(shù)支撐。

而科學(xué)計(jì)算之所以不可或缺，是因?yàn)樵谠S多情況下，直接實(shí)驗(yàn)要么不可能（如研究墨西哥暖流的長期演變、溫室效應(yīng)的全球影響、龍卷風(fēng)形成機(jī)制），要么不切實(shí)際（如核設(shè)施安全性測試、核武器效應(yīng)評估、污染物擴(kuò)散模擬），要么成本高昂（如飛行器的頻繁設(shè)計(jì)迭代、車輛碰撞試驗(yàn)、生物大分子的結(jié)構(gòu)解析）。科學(xué)計(jì)算的介入，則填補(bǔ)了這些科研與工程實(shí)踐中的空白。

科學(xué)計(jì)算與高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展亟待突破的瓶頸問題

對于科學(xué)計(jì)算來說，計(jì)算機(jī)是最重要的硬件基礎(chǔ)。但隨著科學(xué)計(jì)算所需要解決的問題越來越復(fù)雜、越來越接近真實(shí)的模型，其所需要的計(jì)算資源是普通的計(jì)算機(jī)無法承擔(dān)的天文數(shù)字，因此只能依靠專門的高性能計(jì)算機(jī)。

高性能計(jì)算機(jī)（HPC）是運(yùn)算速度極快、存儲容量極大、通信帶寬極高的一類計(jì)算機(jī)的統(tǒng)稱，往往也被稱作超級計(jì)算機(jī)（超算）。通常來說，高性能計(jì)算機(jī)是通過高速網(wǎng)絡(luò)把大量計(jì)算機(jī)組織連接成一個(gè)大規(guī)模并行計(jì)算的集群，如果將一臺電腦比作一個(gè)人腦，那么高性能計(jì)算集群就是許多人腦連接成矩陣的“超級大腦”。相較于普通計(jì)算機(jī)，高性能計(jì)算集群的運(yùn)算速度能夠達(dá)到令人難以想象的程度。目前全球超級計(jì)算機(jī)TOP500的榜首是浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值達(dá)到每秒100億億次的的超級計(jì)算機(jī)“前沿”，這一速度相當(dāng)于大約10億臺當(dāng)前主流筆記本電腦同時(shí)工作的處理能力總和。

這樣恐怖性能的高性能計(jì)算機(jī)，想必已經(jīng)完全足夠支撐科學(xué)計(jì)算對于計(jì)算機(jī)的性能要求了吧？遺憾的是，不僅不夠，甚至可能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

主要原因之一是現(xiàn)有的大規(guī)模并行計(jì)算程序的效率太過低下。上文介紹到，最強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)“前沿”的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值超過100億億次，但是這個(gè)性能其實(shí)是假設(shè)“前沿”計(jì)算集群里的每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都在無條件地全速運(yùn)算而得到的理論性能峰值，實(shí)際執(zhí)行程序時(shí)不可能達(dá)到這樣的理想狀態(tài)，一定存在大量空閑的計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要等待數(shù)據(jù)的訪存?zhèn)鬏?。一般來說，超算上未優(yōu)化過的程序的實(shí)際計(jì)算性能都在理論峰值性能的10％以下。

因此，如何針對應(yīng)用程序改進(jìn)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對程序進(jìn)行性能優(yōu)化，提高實(shí)際浮點(diǎn)性能，是科學(xué)計(jì)算最關(guān)心的問題之一，但這往往意味著較高的難度和極大的研制成本及周期。被譽(yù)為超算界諾貝爾獎(jiǎng)的Gordon Bell獎(jiǎng)會定期頒給代表相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用程序最高性能的一些優(yōu)化程序，而能夠獲獎(jiǎng)的程序的計(jì)算效率一般也都只能優(yōu)化至10%-50%的區(qū)間，例如，用于模擬包含1萬億個(gè)粒子的激光等離子相互作用模型的VPIC程序憑借25%的計(jì)算效率獲得了08年度的Gordon Bell獎(jiǎng)，由此可見對于程序計(jì)算效率的優(yōu)化提升是多么困難的工作。

而另一方面，科學(xué)計(jì)算對于高性能計(jì)算的迫切需求卻還在不斷增長，現(xiàn)有的計(jì)算架構(gòu)在處理大規(guī)模并行運(yùn)算和高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方面顯現(xiàn)出的局限越來越突出，這些挑戰(zhàn)呼喚著計(jì)算技術(shù)的新一輪革新。北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院湯華中教授曾談到，“采用新的計(jì)算結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮現(xiàn)有硬件設(shè)備的效能，是發(fā)展科學(xué)計(jì)算的一個(gè)新方法?！?/span>

3D科學(xué)計(jì)算為科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域帶來計(jì)算效率的革命

近年來，有一類被稱為“3D科學(xué)計(jì)算”的計(jì)算架構(gòu)理念逐漸興起，在解決科學(xué)計(jì)算場景的效率瓶頸難題方面展現(xiàn)出巨大的潛力。實(shí)際上，科學(xué)計(jì)算里占比最大和最難解決的問題往往都可以抽象成對真實(shí)世界的模擬仿真問題，比如在生命科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)計(jì)算實(shí)際上是要在計(jì)算機(jī)里模擬蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)/小分子在三維空間里相互作用的過程，為此需要在計(jì)算機(jī)里建立每一個(gè)原子的三維空間坐標(biāo)，根據(jù)復(fù)雜的物理公式計(jì)算每一個(gè)瞬間每個(gè)原子坐標(biāo)的位置變化，這個(gè)問題發(fā)生的空間尺度毫無疑問是一個(gè)3D的三維空間。

但是，傳統(tǒng)高性能計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)往往是二維的，服務(wù)器和服務(wù)器之間兩兩通過交換機(jī)或路由器線性相連，這樣的二維計(jì)算架構(gòu)在處理三維空間問題時(shí)，天然會產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)間大量額外的通信工作量，極大增加計(jì)算的復(fù)雜程度。如果我們能夠直接按照真實(shí)世界的三維模型來還原一個(gè)龐大計(jì)算集群中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的連接方式，就能從最基本的計(jì)算通信需求量上降低我們需要求解的三維科學(xué)計(jì)算仿真問題的復(fù)雜度，這就是3D科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)思想。

為了幫助大家形象地理解這個(gè)抽象的概念，我們嘗試建立這個(gè)復(fù)雜問題的簡單近似模型：假設(shè)我們要在一個(gè)由5臺電腦組成的計(jì)算集群上構(gòu)建一個(gè)甲烷分子（CH4)的運(yùn)動模型，每臺電腦都只負(fù)責(zé)存儲和計(jì)算甲烷中1個(gè)原子的位置信息，并且對于每臺電腦來說，為了計(jì)算出下一個(gè)瞬間自己負(fù)責(zé)記錄的原子的更新位置，都需要拿到其余4個(gè)原子的位置信息，來作為位置更新公式的計(jì)算參數(shù)。我們可以分別考察在二維和三維的架構(gòu)連接方式下，解決上述問題分別需要的通信的距離長度（每兩臺相鄰的電腦之間的距離視作為1個(gè)單位距離）。

如下圖所示，如果這5臺電腦使用二維的線性連接方式連成一條長龍，那么最左邊的電腦把數(shù)據(jù)傳給最右邊的電腦需要經(jīng)過中間的3臺電腦，為了讓所有電腦都獲取一遍其它4臺電腦的信息，總體需要發(fā)生的數(shù)據(jù)通信的單位距離是40；而如果這5臺電腦仿照甲烷分子的三維空間結(jié)構(gòu)，采用三維的方式進(jìn)行連接，那么總體需要的通信距離是32，在其它所有條件都不變的情況下，比二維連接的方案提升了20%的效率。

如果是比甲烷更加復(fù)雜一點(diǎn)的乙烷分子，那么三維連接架構(gòu)相比二維連接架構(gòu)的性能優(yōu)化提升幅度更是直接達(dá)到了42%，隨著問題尺度的不斷復(fù)雜化，兩者的性能差距還將拉開更大。真實(shí)世界的一個(gè)蛋白質(zhì)大分子動輒都是由幾十萬到上百萬原子構(gòu)成的，在這樣的復(fù)雜尺度上，二維連接架構(gòu)產(chǎn)生的冗余通信需求甚至可以達(dá)到10的12次方以上的數(shù)量級，換言之，3D科學(xué)計(jì)算的架構(gòu)處理同樣問題將天然減少動輒幾萬億次的通信傳輸需求，在性能提升方面具有不可動搖的絕對優(yōu)勢。

可以說，3D科學(xué)計(jì)算帶來了一次計(jì)算架構(gòu)領(lǐng)域的革新，不僅在于硬件效能的充分利用，更在于通信效率與算法效率的顯著提升。3D布局通過在空間維度上的服務(wù)器分布，不僅縮減了物理距離，有效縮短了數(shù)據(jù)傳輸路徑，減少了延遲，而且通過多層級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分散流量，有效緩解了單點(diǎn)壓力，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴?/span>

不過，3D科學(xué)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)當(dāng)然也不會那么簡單。由于芯片節(jié)點(diǎn)之間的連接方式完全被顛覆，為了支撐這套全新架構(gòu)下的計(jì)算，從芯片本身的設(shè)計(jì)、到適配這套系統(tǒng)的軟件都需要重新開發(fā)定義。目前用于實(shí)現(xiàn)3D科學(xué)計(jì)算的計(jì)算系統(tǒng)往往采用會專門定制的ASIC專用芯片，這類芯片無法像CPU、GPU一樣高度靈活地支持運(yùn)行絕大多數(shù)算法和軟件，但正因?yàn)?span id="keyeciooq" class="candidate-entity-word" data-gid="20402278">ASIC芯片不需要考慮通用性，才可以100%將電路上的面積用于提升特定算法的極致性能。采用ASIC芯片建成的高性能計(jì)算機(jī)也被稱為專用超級計(jì)算機(jī)，區(qū)別于通用的超級計(jì)算機(jī)，它們在特定領(lǐng)域可以發(fā)揮出遠(yuǎn)超最強(qiáng)超算百倍以上的性能，代價(jià)是每臺專用超算都需要針對單一特定領(lǐng)域?qū)ｉT設(shè)計(jì)，最終也只能解決那一個(gè)領(lǐng)域的問題。

顛覆世界生物計(jì)算范式的3D科學(xué)計(jì)算機(jī)——安騰超級計(jì)算機(jī)（Anton）

由于目前3D科學(xué)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)需要依賴專用超算來實(shí)現(xiàn)，其研發(fā)設(shè)計(jì)的難度和成本投入都非常巨大。不過，美國的一位“瘋狂科學(xué)家”David E. Shaw博士不按常理出牌地重金打造了一臺專用于生物計(jì)算領(lǐng)域的3D科學(xué)計(jì)算專用超算安騰（Anton），靠一機(jī)之力顛覆了整個(gè)世界關(guān)于生物計(jì)算的認(rèn)知和想象，向世人展現(xiàn)了3D科學(xué)計(jì)算創(chuàng)新架構(gòu)的性能提升所能帶來的恐怖研究和應(yīng)用價(jià)值。

安騰超級計(jì)算機(jī)（Anton）是3D科學(xué)計(jì)算理念應(yīng)用的典型代表，它基于3D科學(xué)計(jì)算的理念架構(gòu)，讓超級計(jì)算機(jī)能夠以前所未有的速度和精度模擬蛋白質(zhì)在三維空間中的動態(tài)運(yùn)動，讓生物領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算研究煥發(fā)了新生。

安騰超級計(jì)算機(jī) | 圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

具體來說，在安騰超算問世之前，哪怕用全世界性能最強(qiáng)的超算來模擬生物大分子的運(yùn)動，一天都只能算出幾十納秒的運(yùn)動數(shù)據(jù)，可即便是蛋白質(zhì)折疊這樣最基礎(chǔ)的生理現(xiàn)象，都需要數(shù)微秒的時(shí)間才能觀測到，這意味著全世界最強(qiáng)的超算都需要至少幾十天才能模擬出一次簡單的蛋白質(zhì)折疊，而單次的蛋白質(zhì)折疊相較于科學(xué)家想要解決的問題體量來說，甚至稱不上是杯水車薪。許多科學(xué)家認(rèn)為這樣效率的研究工具對于解決嚴(yán)肅問題根本沒有太大的意義。不過，第二代的安騰超算一天就可以模擬出近10微秒的結(jié)果，比傳統(tǒng)超算快了2-4個(gè)數(shù)量級，這使得用計(jì)算機(jī)模擬蛋白質(zhì)瞬間成為了一個(gè)比實(shí)驗(yàn)方法效率更高、研究細(xì)粒度更深的研究方法，過去僅靠實(shí)驗(yàn)方法無法完成的許多研究設(shè)想一夜之間也具備了可能性。更重要的是，對于創(chuàng)新藥物研發(fā)來說，生物計(jì)算方法的加入更是注入了全新的動力?；诎豺v超級計(jì)算機(jī)的支持，美國制藥公司Relay大幅縮短了新藥研發(fā)周期，僅用了18個(gè)月、花費(fèi)不到1億美元的成本便成功確定了RLY-4008的結(jié)構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)的藥物研發(fā)投入“雙十定律”（即至少需要投入10年、10億美金才能完成一款新藥的研發(fā)）。

安騰超算的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)是3D科學(xué)計(jì)算架構(gòu)教科書級別的示范。安騰采用了大量的ASIC專用芯片作為其核心組件，并通過一個(gè)精心設(shè)計(jì)的高速三維環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將這些ASIC緊密互聯(lián)。為了提升通訊傳輸效率，整個(gè)安騰的服務(wù)器都被緊密地排放在一個(gè)正方體的機(jī)箱中，這樣使得服務(wù)器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)距離縮短，從而降低了通信延遲和提高傳輸可靠性。在連接方式上，安騰采用了Torus（環(huán)面）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這意味著，組成集群的正方體機(jī)箱中，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)不僅與周邊最近的8個(gè)節(jié)點(diǎn)直接相連，還進(jìn)一步與其他按2的倍數(shù)距離（如2、4、8等）的節(jié)點(diǎn)建立了連接。這一特點(diǎn)確保了無論機(jī)箱邊長如何，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信都可通過最多不超過O(logd)步的跳轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，顯著降低了大規(guī)模并行計(jì)算中節(jié)點(diǎn)間的通信復(fù)雜度。這種對數(shù)級的優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地提升了集群內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸效率，確保了在包含大量節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜計(jì)算環(huán)境中，數(shù)據(jù)也能快速、有效地在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間流通，充分滿足了通訊密集型任務(wù)的需求。

圖片來源：D. E. Shaw Research

3D科學(xué)計(jì)算理念的興起標(biāo)志著科學(xué)計(jì)算在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域加速變革機(jī)遇的到來。3D科學(xué)計(jì)算憑借其獨(dú)特的計(jì)算架構(gòu)，通過物理空間的優(yōu)化布局和數(shù)據(jù)流動的重構(gòu)，為高維度數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜系統(tǒng)模擬及大規(guī)模并行計(jì)算的挑戰(zhàn)提供了解法。安騰超級計(jì)算機(jī)為藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域帶來的革命，作為3D科學(xué)計(jì)算與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐結(jié)合的典范，更是讓世人看到了高效研究工具的迭代對于細(xì)分領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)步的重大推動作用。相信在未來，3D科學(xué)計(jì)算將進(jìn)一步拓寬其在各高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用范圍，為解決全球面臨的重大科技挑戰(zhàn)提供更為強(qiáng)大的理論支撐和實(shí)踐工具。