7. 超级计算机的未来？

超级计算机和医学

超级计算机的应用之一是与化学品和有机化合物的结构相关的复杂且耗能的计算。由于能够在非常精确的水平上模拟给定化合物的行为，对单个物质的行为进行仔细分析是可能的，这是一种允许开发新的、更有效的药物的工具。

早在2020年，Frontier超级计算机推出之前，橡树岭国家实验室的科学家们就拥有了Summit超级计算机（这台机器是2018年效率最高的超级计算机，至今仍在使用，排名第7，效率为148,8 PFlops）用它来开发一种新型抗癌药物。事实证明，这种新药的治疗效果比以前使用的方法好约 10%，更有效。当然，10% 并不算多，但请告诉那些由于这个“微小”差异而成功挽救生命的患者。人的生命当然是无价的，但任何具有更高功效的药物都可以为医疗保健系统节省大量资源并降低治疗成本。这就是 Frontier 可以派上用场的地方。其能力远高于同级Summit超级计算机。

前沿与新气候模型

气候建模需要对地球千年历史模型进行分析和论证。当然，这是一项需要大量计算资源的任务。我们越准确地模拟气候变化并预测长期会发生什么，我们就需要越快、越强大的超级计算机。

桑迪亚国家实验室的马克·泰勒（Mark Taylor）是世界上第一个使用升级计算进行长期气候预测的研究人员之一，他曾表示：“Frontier 超级计算机独特的计算架构实现了我们以前无法做到的事情。”也就是说，这台机器的计算能力将过去需要几年的计算减少到几天。同时，它使研究人员能够获得气候变化和极端天气条件长期影响的详细估计。 “这是气候建模的新黄金标准，”泰勒补充道。

有什么好处？它们太大了。预测灾难性天气变化的能力可以挽救数万人甚至数百万人的生命。分析气候变暖对全球和区域水循环可能产生的影响，使我们能够为未来的变化提前做好准备。现代空间模型是存在的，但它们对计算的要求极高。直到最近，要求太高了。是的，它们使我们能够从理论上预测构成我们所说的天气或气候的各种元素之间的复杂相互作用，例如伴随云形成的对流运动，但需要处理大量的信息流并进行极其复杂的计算。

Frontier 超级计算机的出现已经改变了这一点。能源百亿亿次地球系统模型 (E3SM) 项目通过将新的软件方法与巨大的百亿亿次性能相结合，克服了这些障碍。该研究的合著者、E3SM 项目的协调员以及名为 SCREAM 的 E3SM 大气模型的合著者 Sarath Sripathy 解释道：“气候建模界长期以来一直梦想以足够快的速度运行公里级模型以促进长达数十年的预测，现在它已成为现实。”

换句话说，没有 Frontier 的项目将因缺乏数据处理量而失败。但值得注意的是，不仅基础算力重要，模型本身的优化也很重要。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的气候学家彼得考德威尔和他的团队在过去五年里从头开始构建了一个新的云模型。它将在图形处理器 (GPU) 上高效工作，图形处理器如今是现代超级计算机计算能力的一个非常重要的组成部分。同级别中有趣的顶级汽车也可以包含在这里。

想象调整代码以在 GPU 上运行显着提高了性能。 SCREAM 可以在 8192 个 Frontier 节点上运行，以模拟全球云的形成，而这通常需要在单个 1,25 小时计算会话中花费一年多的时间（准确地说是 24 年）。 Frontier 可以在几周内完成跨越 30-40 年的长期模拟。研究人员指出，以前几乎不可能进行这样的计算。有兴趣了解更多有关这些研究的人可以 熟悉新的科学出版物 马克·泰勒和他的团队。

前沿与材料技术

一个利用 Frontier 超级计算机的百亿亿次潜力的有趣项目是材料技术领域的工作。这是有史以来最大的合金计算模拟之一，由于其计算效率，使得达到接近量子级的精度成为可能。这项研究由密歇根大学的 Vikram Gavini 进行，其创新之处在于它使用薛定谔方程来模拟不同材料的行为。 Frontier 强大的计算能力使其能够模拟由 75 个原子组成的镁合金系统。

镁合金是一种非常有趣的材料。它非常轻，同时又很坚固。然而，镁合金对某些缺陷敏感，主要是位错（即材料晶体结构中的大量缺陷），这会极大地改变其机械性能。这使得一种有前途的材料变成了一块无法使用的金属，因为它容易破裂、易碎且不稳定。科学家们在 Frontier 计算能力的帮助下成功纠正了镁合金中的一些缺陷。但这只是艰苦工作的开始。

超级计算机的未来？

传统计算机无法解决一些科学技术问题给我们带来的挑战。超级计算机具有更强的计算能力，使其能够执行普通计算机不可能或花费太多时间的计算。通过创建超级计算机，科学家们努力扩展我们的知识和能力的边界，并解决可能对我们的未来产生巨大实际影响的问题。

摩尔定律指出，计算机的能力呈指数级增长。每两年，计算速度就会翻一番，工程师和科学家们设法找到以前认为不可能的问题的解决方案。

有一天，超级计算机将变得司空见惯。毕竟，仅仅十年前，虚拟现实、云游戏、元宇宙等概念还只存在于少数技术专家和极客的想象中，而今天这已成为我们的现实。未来的一代甚至不需要接受信息技术教育并在谷歌找到一份工作就可以利用超级计算机：它们将悄悄地、不知不觉地成为日常生活的一部分，就像智能手机、笔记本电脑和其他东西一样。