全球超級計算領域解鎖新動作

中國氣象數據網

國家氣象信息中心（中國氣象局氣象數據中心）

全球超級計算賽跑在經曆了一年多的蟄伏與蓄力後，於近期紛紛迎來新動作。

在剛剛過去的2月份，從美國、歐洲到非洲大陸，相繼有新的超級計算機投入應用。新超算們在性能上又創下了什麼紀錄，它們在氣象應用中有哪些新風向？一起來看一下。

CPU時代到GPU時代，petaflops時代到exaflops時代

如果從數據上對2月集中亮相的超級計算機進行排位，美國能源部所屬橡樹嶺國家實驗室（ORNL）
推出的新型高性能天氣預報計算機系統可謂最為亮眼。

根據ORNL官方2月10日發布的消息，該系統包括兩台HPE Cray EX超級計算機，將主要用於支持美國陸軍和空軍全球和區域性數值天氣預報業務。

這兩台超級計算機分別被命名Fawbush和Miller，組合系統峰值性能為7.2petaflops（每秒浮點運算1萬億次），是當前計算機系統的6.5倍。隨著它們的到來，用戶全球模式分辨率將從17公里提高到10公里，從而可以進行更精確的預測。

不過，更為引人注目的是，它們為未來幾年天氣預報應用取得突破性進展提供了更多可能——

一個重要的例子是，它們將有助於使用雲微物理參數來改進短期預測和中期預測。

“我們對雲的興趣與眾不同，大多數人只是在乎它是陰天還是晴天。”空軍數值天氣模擬計劃首席工程師弗蘭克·魯吉耶羅說，而他們希望通過對雲覆蓋區域進行遙感觀測，以預測大氣中雲的形成、增長及降水，最終解決導航難題。

除此之外，新系統計劃引入的另一個專業模型則與全球水文預測有關，將用於預測洪水或被淹土地面積以及深度。這將涉及在數百個流域上進行精確的制圖和運算。

要真正實現這些功能，都對超級計算機的性能有更高要求。實際上，無論是Fawbush還是Miller，在設計時都為將來承擔更高強度任務提供了可能。它們預設有很強的擴展空間，從而可以在將來安裝GPU，屆時，浮點性能或可提高十倍。

這次是HPE Cray EX超級計算機在美國聯邦機構中首次安裝，也拉開了美國能源部今年超級計算領域系列大動作的序章。與Fawbush、Miller擁有相同動力體系，有望引領超級計算新紀元的“前沿”（Frontier）也計劃在2021年底亮相。

Frontier同樣是由Cray公司和AMD公司為橡樹嶺國家實驗室建造，計算能力達到1.5exaflops（每秒浮點運算一百億億次，也被稱為頂級超級計算機），交付時它有望成為世界上最強大的超算。

科學家期待，Frontier不僅可以為核物理、人工智能、癌症研究等領域提供最強助力，同樣有望推動氣候研究取得突破。

地球系統、氣候變化應用受重視

放眼全球，多個國家和區域似乎都“不約而同”選擇在剛剛過去的2月對超級計算機進行更新換代。

2月24日，荷蘭SURF合作性高校計算機構
表示，由聯想數據中心打造的全新一代國家超級計算機集群，將取代已有七年歷史的國家超級計算機Cartesius，系統的峰值性能將由1.3petaflops提 高 到14petaflops；

2月23日，西班牙國家氣象局
宣布，將於近期投入使用的新型超級計算機，計算能力幾乎是2014年安裝的當前超級計算機的十倍；

2月11日，捷克水文氣象學院
宣布，由日本NEC公司制造的NECSX-Aurora TSUBASA超級計算機將投入使用……

在一系列動作中，非洲的新系統圖卜卡勒（Toubkal）
以黑馬的姿態出現在聚光燈下。

從歷史上看，非洲並不是超級計算的“沃土”。此前，非洲大陸只有2019年6月ASCC登上超算領域世界前500“倫高”（Lengau）。而Toubkal的到來將打破這個紀錄。該系統的峰值為5.02petaflops（Linpack評估為3.15petaflops），由 DellEMC制造，足以在最新的世界前500列表中排名第98位。

實際上，這種“不約而同”的背後，是近年來隨著研究人員對計算能力、數據存儲和處理的需求呈指數增長。反之，需求的增長也決定了在新型超級計算機的設計中科學研究項目所占比例。

盤點近年來主要應用項目，在與超級計算有“不解之緣“的氣象領域，除了永恒的重頭“天氣預報”外，地球系統、氣候變化正越來越受重視。

比如，荷蘭SURF的研究計劃包括氣象學、天體物理學、醫學和社會科學，也包括氣候變化研究在內的材料和地球科學的各個科學領域；

在西班牙，新的超級計算機將促進天氣預報、氣候變化、海浪預測等不同領域的研究；

在非洲，針對ASCC 和Toubkal的項目包括對需要保護的非洲植物的基因組進行建模，為微生物的基因組建模以更好地了解土壤肥力，處理衛星數據以改善農業管理，以及分析氣象數據以幫助整合可再生能源項目。

這其中，捷克的目標最為直接。其新部署的超級計算機將用於高分辨率區域氣候建模，模擬未來的氣候以及其變化將如何表現出來，最終目標是幫助采取適應措施，以減輕氣候變化的影響。此外，它還將作為開發系統，用於優化某些氣象法規。