讓“超算”與海洋科研深度融合

海洋試點國家實驗室舉辦超算圓桌論壇。 資料圖片

海洋試點國家實驗室高性能科學計算與系統仿真平臺展廳。  資料圖片

海洋試點國家實驗室高性能科學計算與系 統仿真平臺工作人員正在進行測算。  資料圖片

海洋試點國家實驗室高性能科學計算與系統仿真平臺工作人員正在進行測算。  資料圖片

10月18日至20日，由中國計算機學會主辦，中國計算機學會高性能計算專業委員會、青島海洋科學與技術試點國家實驗室（以下簡稱“海洋試點國家實驗室”）、中國海洋大學、國家超級計算濟南中心共同承辦，北京并行科技股份有限公司協辦的第十四屆全國高性能計算學術年會在青島國際會展中心舉行。

年會以“HPC⁺一切皆可計算”（HPC指高性能計算）為主題，秉承“超算驅動、協同創新、合作共贏、引領未來”的宗旨，促進人工智能、大數據、超算的協同創新，迎接當今產業發展新機遇。海洋試點國家實驗室邀請了多位專家，分別圍繞超算與智慧未來、透明海洋、深藍大腦、互聯網絡、國產E級、穿越時空、海洋量子7個版塊深入探討，就促進信息化與海洋科研領域深度融合方面的最前沿科研成果充分交流。

超算與智慧未來

■中國科學院院士、海洋試點國家實驗室主任委員會主任 吳立新 

■海洋試點國家實驗室超算平臺主任、中國海洋大學信息科學與工程學院院長 魏志強

互聯網、人工智能、大數據與實體經濟的深度融合是大勢所趨，也是山東這樣一個制造大省和海洋大省在新舊動能轉換方面的重要組成部分，對未來社會發展具有重要的戰略意義。

圍繞國家在人工智能、大數據、智能制造等領域的布局，各個城市均從技術研發、產業集聚、國際合作等多個方面積極規劃。山東省立足實體經濟優勢，圍繞未來海洋、城市、鄉村、家庭、企業、健康等領域需求，發展人工智能技術，打造特色鮮明、智能領先、引領未來的互聯網實體經濟，建設智慧未來世界大會、智慧未來研究院和智慧未來產業集群。

智慧未來世界大會將逐步形成具有品牌影響力、規模化、制度化、持久性的國際產、學、研大會，全力打造人工智能、互聯網和大數據領域的高端交流平臺。

智慧未來研究院旨在打造立足國產自主技術的大數據、網絡、智能軟件、安全服務的技術研究中心，瞄準智慧未來前沿技術，組建國際一流科研隊伍，立足智能理論研究，開展國產智能芯片研發，推動智能終端設備產業化發展。

智慧未來產業集群將圍繞國民經濟主戰場，立足山東優勢和本土特色，依托山東省優勢科研機構群、家電電子優勢企業群、制造優勢企業群和駐魯央企優勢企業群，在未來海洋、未來城市等六大領域打造智慧未來產業研發中心，構建特色鮮明、集聚效益突出、影響力重大的未來產業集群，共同打造智慧未來共同體。

在未來社會，一切皆計算，一切皆智慧。以未來世界大會影響全球、以未來研究院匯聚智力、以未來產業集群驅動新舊動能轉換，將有力推動山東人工智能產業實現快速高質量發展，并將惠及城市、鄉村、家庭、交通、制造及醫療等方方面面。

超算與透明海洋

■中國海洋大學教授 張紹晴 

■海洋試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室副主任、中國海洋大學教授 陳朝暉

“透明海洋”大科學計劃旨在建立海洋立體觀測系統，獲取海洋環境綜合信息，建立預測系統，掌握海洋環境變化，實現目標海域“看得清、查得明、報得準”。該計劃針對特定海區，實時或準實時獲取和評估不同空間尺度的海洋環境信息，研究其多尺度變化及氣候資源效應機理，并以此為基礎，預測未來特定一段時間內海洋環境、氣候及資源的時空變化。在信息化時代，“透明海洋”將與大數據、“互聯網+”“人工智能2.0”等國家和區域重大戰略深度融合，并肩助力超算中心建設，提升我國在海洋環境觀測預測方面的科研能力。

“透明海洋”大科學計劃已經取得了一系列豐碩成果。在該項目支撐下，海洋試點國家實驗室憑借其自有的全球海洋領域最快超級計算機，聯合美國國家大氣研究中心、美國地球流體動力學實驗室、歐洲中期天氣預報中心和澳大利亞聯邦科學與工業研究組織等世界領先海洋機構，以10公里的精度計算了未來500年全球海洋氣候演化過程，向全世界提出了中國方案，發出了中國聲音。海洋試點國家實驗室率先以3公里超高精度，實現了對我國海上絲綢之路的“兩洋一海”區域未來15天的海況與大氣每日常態化預報。這為遠洋航運和漁業捕撈提供了精準的信息支持，對保障海洋戰場環境意義十分重大。

在近海生態環境保護方面，依托“透明海洋”大科學計劃，能夠更為有效地開展海洋生態環境演變、海洋資源可持續利用、重大生態災害模擬等研究，更加精細化地預報滸苔、赤潮等生物災害以及臺風、干旱等自然災害。在海洋生物資源方面，分析重構水產大數據，構建海洋牧場生態評價系統和漁業捕撈服務系統，也為海水養殖的智能預警、精準調控、智慧管控提供幫助和指導。

超算與深藍大腦

■海洋試點國家實驗室超算平臺主任、中國海洋大學信息科學與工程學院院長 魏志強 

■海洋試點國家實驗室超算平臺副主任 賈東寧

隨著大數據的匯集、理論算法的革新和計算能力的跨越式提升，人工智能技術進入了飛速發展時期，不僅為科學技術研究創造了新的可能性，也成為經濟社會發展的新引擎，在各個領域開始發揮它的神奇威力。

從機器視覺、語音識別、人臉識別等基礎性應用技術，到人機博弈、語音交互、機器翻譯等專業應用技術，再到無人駕駛、智能制造、智慧醫療、智慧農業、智能交通、智能家居等綜合應用技術，人工智能滲透到生活的各個角落，將徹底改變我們的工作和生活方式。

隨著腦科學和人工智能技術的進一步發展，以類腦智能為代表的新一代人工智能技術逐漸綻放光芒。它更側重于以超級計算機技術利用神經形態計算來模擬腦功能，通過將人腦的內部機理融入機器系統，提高機器的認知、學習和控制能力，進而產生更深度的交叉與合作，成為人工智能開發研究的新平臺。

海洋試點國家實驗室基于自身計算能力和數據優勢，將人工智能技術與海洋科學研究工作深度融合，全力打造“深藍大腦”，以海洋各領域為研究對象，以人工智能為技術核心，全方位匯集海洋感知數據和領域信息，通過在海量數據信息中歸納和演繹海洋數據模型，將傳統的海洋知識從被動發現變為主動發現，實現了從傳統的專家經驗建模到機器學習的轉變。未來的“深藍大腦”將面向浩瀚海洋，實現從機器智能向類腦智能的轉化，實現從機器學習到深度學習再到自主學習的跨越，從而在信息處理機制上類腦、認知行為和智能水平上類人，使機器擁有人類認知能力及協同機制，實現對未來透明海洋系統的智能自驅動、自發現和自演進。這是“深藍大腦”進化的必由之路，也是海洋科學技術發展的重要途徑。

超算與互聯網絡

■齊魯工業大學（山東省科學院）黨委書記 王英龍 

■國家超級計算濟南中心副主任 潘景山

超算互聯網是現代科研高效集約化利用計算資源的產物。然而，超算中心因“功耗墻”和設計復雜性等原因，在垂直方向上升級越來越困難，而現有基于互聯網、教育科研網等高延遲、低帶寬傳輸效率的網絡也越來越不能滿足用戶日益增長的高效計算資源供給需求，所以必須利用高速、低延遲、高帶寬利用率的專用網絡聯通各個超算中心，由此產生了超算互聯網和國家分布式超算中心的必然需要。

海洋研究需要對巨大的數據量、眾多的數據源以及異類的數據集調查、觀測、計算，并對海洋大數據進行快速交互與分析處理。基于超算互聯網技術示范系統，我們已把國家超算濟南中心、無錫中心、海洋試點國家實驗室超算中心互聯互通，組建成為超算大科學裝置群，其目的就是為了服務于全球海洋系統模擬器的建設。

2017年11月，海洋試點國家實驗室已與國家超級計算無錫中心、國家超級計算濟南中心簽署共建戰略協議，通過構建國際超算大科學網絡基礎設施，有效整合區域和全球超算中心服務能力，共同服務于國際超大規模協同計算任務。

同時，海洋試點國家實驗室與中國電信、中國教育網簽署合作協議，共建交互性強、覆蓋面廣、反饋迅速、資源豐富的超算互聯基礎設施，打造國際海洋領域的“超級大腦”。

通過超算大科學裝置群、超算互聯網建設，實現高效計算與數據資源供給，加強超算生態建設，全力打造超級計算和人工智能生態圈。

超算互聯網作為打造海洋深藍大腦的動脈網，對實施透明海洋、深海極地、藍色生命等大科學計劃以及實施推進健康中國戰略意義重大，對促進國內外科技合作、提升我國的科技競爭力，具有重要的支撐作用。

超算與國產E級

■中國科學院計算所研究員、中國計算機協會高性能計算專委會秘書長 張云泉 

■國家超級計算濟南中心主任 楊美紅

E級超算是指每秒可進行百億億次數學運算的超級計算機，被全世界公認為“超級計算機界的下一頂皇冠”。目前，中國、美國、日本和歐盟均提出研制百億億次計算機計劃，人類將進入E量級計算時代。

我國超算歷經高性能計算機及核心軟件、高效能計算機與網格服務環境、高效能計算機及應用服務環境、高性能計算4個五年計劃，超級計算機研制、應用研發、環境建設等方面都取得重大進展。中國在超算應用領域的發展讓人驚嘆，在高性能計算技術特別是應用領域的發展勢頭非常強勁。

在國家重點研發計劃支持下，國家并行計算機工程技術研究中心聯合國家超級計算濟南中心等團隊經過兩年多的關鍵技術攻關和突破，研制成功神威E級原型系統，并在國家超級計算濟南中心完成部署并投入使用。但E級計算生態建設之路才剛剛起步，透明海洋、藍色生命、深藍大腦等大科學問題為海洋E級計算生態建設提供支點、要地和主戰場。

當前的E級超算研發與建設主要面臨3個挑戰：一是需要研究如何降低功耗，實現綠色計算。E級超級計算機需要將功耗控制在30兆瓦左右，目前已經不能單純依靠更換線圈來實現；二是必須增強元器件的可靠性，保障長期健康高效運轉。E級超級計算機可能有上億個部件同時運行，任何一個部件出現問題都可能導致E級超算停機；三是需要提高可擴展能力。

隨著我國超級計算機技術的發展，超算的應用領域正逐漸拓寬，從國家安全、氣候氣象預報、深空/深海/深地探測等國家戰略領域，到互聯網、云計算、大數據、人工智能、基因測序、金融計算、先進制造、智慧海洋等領域，成為促進基礎科學研究和重大技術攻關的重要手段。

超算與穿越時空

■中國科學院院士、中國科學院地球環境研究所研究員 安芷生 

■中國科學院院士、海洋試點國家實驗室主任委員會主任 吳立新 

■中國海洋大學博士后 顧思凡

用地球氣候模式模擬并與古氣候觀測資料相結合，對理解氣候變化、驗證現代氣候模式以及預測未來地球氣候變化至關重要。例如，從末次盛冰期（約21000年前）到工業革命前，大氣二氧化碳含量增加了50%，全球平均增暖3至5攝氏度，海平面升高近120米。這些氣候變化的巨大信號為驗證當代氣候模式和理解氣候變遷提供了一個絕佳的研究對象。

氣候模擬的發展很大程度上依賴于計算資源。過去由于計算資源的限制，氣候模式通常只能對古氣候做短期的切片模擬或非同期耦合試驗，無法研究深海環流的緩慢變化以及與未來氣候變化密切相關的氣候突變。

近幾年，國際上古氣候模擬又有了新的發展。例如，為了能進一步模擬與古氣候代用資料直接比較的地球同位素，美國俄亥俄州立大學和美國大氣科學中心等單位合作在氣候模式上成功加入了多種同位素模塊，并推出了模擬過去21000年來全球同位素與氣候協同演變的實驗。同時，德國科學界也推出了一個全國性的古氣候模擬計劃，對最近10萬年來的整個地球系統冰期—間冰期大旋回進行超長期模擬。

我國超算近年突飛猛進的發展，為超長期古氣候模擬提供了必要條件。今年，海洋試點國家實驗室及其超算中心與多院校單位進行交叉學科合作，計劃用包含同位素模塊較高分辨率的地球系統模式，對過去25000年的全球同位素及氣候的演變，進行“穿越地球時空”的第一次超長期模擬實驗，為我國超長期氣候模擬打下堅實基礎。

預計2020年建成的E級超算中心，將使我國超長期氣候模擬躍上新臺階，使我國超長期模擬向超高分辨率全耦合地球系統模式方向發展，助力我國地球氣候系統模擬達到國際領先地位。

超算與海洋量子

■中國海洋大學信息科學與工程學院副院長 顧永建 

■中國科學技術大學教授 郭國平

量子信息是量子物理與信息科學的結合，以量子態為基本單元，開發遵從量子力學規律的量子器件，基于量子力學規律實現信息的傳輸、存儲、處理和操控。目前，量子信息科學正在迅猛發展，“墨子號”量子科學衛星升空運行，京滬量子通信干線建成開通，量子計算機研制取得突破，量子信息技術正在邁向實用化和產業化。

量子信息包括量子計算、量子通信和量子測量。量子計算是一種全新的超級計算形態，它和機器學習固有的統計性質之間存在天然的結合可以帶來機器學習效率的大幅提升。因此，量子計算在氣候預測、海洋動力過程模擬、海洋藥物開發等領域大有用武之地。量子通信是利用量子糾纏效應傳遞信息的一種新型通信方式，能夠實現海洋大容量數據的安全傳輸。量子測量不同于傳統的聲光電磁測量技術，測量本身與被測量系統相互影響，可以實現傳統海洋探測性能大幅度提升，甚至完成原本無法完成的任務。量子信息技術為海洋技術揭開了全新面紗，推動海洋科學從經典物理邁向現代物理。

面對量子信息技術的飛速發展，我們要把握歷史機遇，加強產學研機構深度耦合，努力實現海洋技術和量子技術的融合發展，逐漸形成和發展壯大海洋量子技術這一新領域。近期，量子技術專家和海洋技術專家一道，將在國產超算系統上部署量子虛擬機，建立研發平臺，實現量子語言、量子程序、量子芯片、量子測控系統和量子人工智能標準的建立，為下一代基于量子技術的海洋超算做好技術儲備。

量子信息科學為現代科學研究提供了全新的實驗方法和工具，在物理科學與信息科學耦合推動下，量子信息技術必將深刻改變我們的未來。

《 人民日報 》（ 2018年10月24日 15 版）