从“走鹃”到“三位一体”.docx

从“走鹃”到“三位一体”从1942年的太平洋试验场到1992年的内华达实验中心，将近50年的时间内核爆实验从来没有 间断过如今，核武器实验是在超级计算机上通过模拟仿真进行的，使用的代码是由科学家们从真实 核武器实验中总结出来的美国核武器的仿真模拟是隶属国家核安全总署（NNSA ）的核储备管理计划中的一部分，这一计 划的建立是用来评估美国的核武器储备在不进行真实核武器实验的情况下的安全性与可靠性美国 洛斯阿莫斯、劳伦斯里弗摩尔和桑蒂亚三大国家安全实验室的主任们每年都要通过能源部长、国防部 长还有核武器委员会来向美国总统汇报他们经过试验仿真得出的评估结果结果表明，目前美国核 武器剩余的库存仍旧是安全有效，绝对可靠的为这么重要的评估报告提供素材可不是件容易的事，所以说，研究武器的科学家们所使用的计算 机都得是当代计算机中最先进的洛斯阿莫斯实验室的"走鹃”（Roadrunner）因为打破了当时超级 计算机最快运行速度的记录而扬名立万但是洛斯阿莫斯实验室仍在追求更新、更高级的计算机来满 足“核储备管理计划”日益增长的需求他们已经开始着眼于下一台超级计算机了虽然，这台计算机 现在还只是一个构想，但是实验室的科学家们已经早早为它起好了名字,叫做"三位一体”（Trinity）。

"三位一体”将会由“新墨西哥州极限计算联盟”一手设计制造，这个联盟的背后是洛斯阿莫斯实验室与 桑蒂亚实验室的强强联合对于计算速度无止境的需求"走鹃”是美国墨西哥州的州鸟，从它的名字可以看出，这台计算机是非常高速的2008年的6 月，"走鹃”在“世界500大超级计算机”的榜单上拔得头筹它是世界上首台千万亿次级别的超级计算 机，也就是世界上首台可以持续保持每秒进行1000万亿次运算的超级计算机"走鹃”不光在速度上是第一，在其它方面也有非凡表现，作为超级计算机，它造型结构独特为 了可以开发更高级的计算机来服务于“核储备管理计划”，美国核安全总署启动了一个名为"先进模拟 与计算（ASC）”的项目洛斯阿莫斯实验室的副主任谢丽尔•万普勒在实验室中专门负责ASC项目， 她说“走鹃”是具有重大历史意义的超级计算机先锋，但同时又是引起争议的超级计算机对于"走鹃”的争议来自于它的结构，即采用了一个"混合式架构”它采用了两种完全不同的处理 器走鹃”拥有6563颗AMD"皓龙”双核 通用处理器，每个核心又分别连接1个专门的图像处理器 —PowerX Cell 8i,这个处理核心原本是专门为索尼的PS3游戏机设计的，它经过特殊定制后，更加 适合“走鹃”所进行的科学计算，被命名为Cello尽管“混合式架构”的计算机在“走鹃”之前就已经出现了，但是从来没有人如此大规模地使用这种 架构，很多人都怀疑其能否真正的胜任这项工作。

所以对于“走鹃”的设计者一洛斯阿莫斯国家实验室 和IBM公司来说，"走鹃”的诞生是信仰的飞跃，不过这种飞跃是有意为之高速计算当然是设计"走鹃”的一个主要目的在实验室高性能计算部门工作的吉姆•卢汉说："我 们想要在计算机领域中迈出飞跃的一步计算机每年都变得越来越快，但是要解决NNSA项目的物 理学问题，我们所需的是呈指数增长的速度关系到核武器模拟仿真的物理学问题是非常困难、非常复杂的，尤其是这种模拟是对整个武器系 统的模拟，而非仅仅是某个单一部件的模拟只有运算速度非常快的计算机才能在一个合理的时间段内完成这些计算吉姆•卢汉说：“我们正在探索武器从引爆到爆炸结束整个过程中的原理，而用一台运行速度慢、 功能不够强大的计算机，我们只能进行部分研究一第一步、第二步或者是点火部分的研究，而现在 我们可以进行整个过程的研究我们可以用10年前的计算系统来做这个研究，但是那会需要很多很 多年，而且不能把问题变得简单虽然仿真模拟只能预测武器的性能，而核试验可以实际展示武器性能，但是仿真的优势是胜在细 节一主要是关于武器试验现象背后的内在反应过程研 发武器代码的科学家们通过使用方程式和数 据来代表武器的各个方面：零部件的尺寸、形状、化学成分、组成材料的行为倾向（无论是塑料还是 钚），还有在武器引 爆过程中内在的所有反应现象。

当年核武器试验过程中收集的数据、各种用于 核武器材料实验所得出的新数据以及各种武器部件的非核试验得出的数据都给代码开发科学家提供 了丰富的信息如果有一台计算机速度够快，就可以在合理的时间内解决所有武器代码方程式，那么它所得出的 模拟仿真结果有助于帮助科学家加深对于武器现象的理解计算机越快，解决的方程式就越多，能提 供更小部件的模拟结果也就越多核武器中小部件对于整个系统的命运至关重要就像是1986年1月18 日，"挑战者”号航天飞机 由于一个直径仅7.11毫米的O型密封圈的损 坏，导致了整个航天飞机被摧毁，机上所有人全部遇 难所以，科学家们通过仿真模拟来了解在爆炸时武器内是如何反应的，而且用所得到的结果来预测 核武器库存能否持久使用这些信息来自于对武器的模拟仿真、持续的实验以及非核试爆把这些 数据提供给那些运行速度足够快的计算机，运行结果会变得更加详细，更加接近预测的结果匹配计算机的代码"走鹃”的速度源于它独特的结构，两个处理器各司其职，Cell实现大部分的计算功能，进行高效 计算，基本上就是计算加速器的角色但是任务 分工不是自动实现的，而是通过程序实现的，需要 程序开发者们修改以前的代码，而这一工作早在开发“走鹃”之前好几年就已经开始了。

为“走鹃”重新编写代码需要程序开发者们推测出处理器之间的最佳计算分配方式，而且仔细地考 虑如何分配数据，才能使"走鹃”发挥最大作用这种再思考的过程是一个严峻的挑战，但是代码修订 成功将会带来丰厚回报在"核储备管理计划”中，“走鹃”遇到了一个长期以来一直让人很头疼的问题， 那就是如何理解核弹在引爆过程中能量的走向问题在解决这一问题中，“走鹃”功不可没"走鹃”投入使用的前六个月是"测试期”，处于转入保密状态前的过渡阶段，这一时期通用科学领 域的研究者们也花费了很多时间科学家们使用ML代码让"走鹃”进行艾滋病病毒的基因序列研究， 而且建立了一个艾滋病病毒的族谱，用来帮助研究病毒的特效疫苗其它软件代码则在材料科学、天 文学和激光等离子体相互作用等科学领域的研究中取得了突破性的进展布莱恩•奥尔布赖特是专门研究计算原理部门中的一员他是使用CELL颗粒矢量（VPIC）代码 来进行激光-等离子体相互作用研究的人员他发现为"走鹃”调试代码的深远意义他说：“我们设立 了很多个小组来为'走鹃'进行VPIC代码的调试，这些调试使得VIPC适用范围更广泛，而不是只能 在 一种计算机结构上使用随着VIPC代码的论证成功，用来调试"走鹃”的代码工作将会逐渐适应新型的超级计算机，这一 事实凸显出了“走鹃”背后的另一个目的，即验证这一判断一武器代码必须摆脱对于那些即将成为古董 的老式计算机结构的依赖。

当代码开发者们设法攻克新机器和新机器陌生的构架的时候，他们感觉到 了警告，他们必须注意到即将到来的高性能计算中的改变一核储备管理计划中的每一个人都要迎接的改变如万普勒所说：“'走鹃'是一台具有新型结构的超级计算机，是ASC计划的项目新型结构的机 器一定会把计算机的发展推向未来正如人们所想的，"走鹃”和其它前沿科技一样，用万普勒的话 说，有那么“一点点古怪”，但它的古怪也是来源于它自身那些革命性的特点它并非必须可以适用于 所有的软件代码，或者是所有的代码都可以很好地运行然而，在武器代码方面，"走鹃”的确不负众 望：武器代码可以在新型的结构上运行，或者说，武器代码必须可以在新结构上运行"走鹃”是具有 挑战性的，因为整个超级计算机的未来都是挑战性的"天空”（Cielo）——个时代的终结在尼古拉斯梅特罗波利斯的建模与仿真实验室中（或者叫做战略计算中心），"走鹃”的时代已 经结束了，这台庞大的机器很快就会被拆掉，它因在计算机历史新时代开始时带来了巨大变化而备受 瞩目，但现在已经成为历史仍然待在战略计算中心的另一台同样强大的超级计算机叫做"天空”（Cielo），它和"走鹃”在2011 年1月有一段重合。

"天空”更像是之前的核储备管理计划中辛勤工作的驮马，它可以运行到“走鹃” 这一级别：每秒1430万亿次浮点运算而且因为和之前的系统都兼容，所以不需要进行代码适应性 调整未来说到就到，“天空”将在2015年退出历史舞台，而当它退出的时候，就是这种结构真正终结 的时候，“天空”将是这种计算机的终曲万普勒说："继'天空'之后，我们不可能再说，’再给我一台一样的计算机’因为高性能的超级计 算机正在朝着新的方向发展，我们必须紧随其步伐紧跟发展很重要，因为国家实验室通常不会从零开始制造超级计算机的硬件，而是利用现有的商 业计算机技术为起点制造，这种方法更加的经济此外，通常是在私营部门中计算机技术发展最快 如果国家实验室想要其计算机技术处于最前沿、而且维护方便，同时将死机次数降到最少，那么实验 室就必须要紧跟商业计算机技术发展的脚步市场趋势是改变的动力，随着越来越多的公司尝试新的结构，开发新的技术，尝试不同种类的处 理器、记忆单元和互联设备，所有的这些新事物就会带来一个全新的软件环境核储备管理计划的需求同样给计算机带来了改变程序的要求越来越高，而且需要越来越强大的 计算能力才能模拟核试验事实上，库存的武器和当年进行核试验时已经不一样了。

武器的组件、 材料还有系统都已经老化，这些变化很可能影响这些武器的表现有些部件只能重新制造现代核武 器已经很复杂了，老化的核武器更加复杂，时间催生出更多的问题，等待人们来解决关于如何延长武器的寿命的问题，美国目前正面临许多抉择要做出决定取决于科学家对于武器 工作的原理了解多少，对于武器失效的原因了解多少因此，国家安全实验室需要更高分辨率的计 算来进行更大、更具体的三维仿真，来捕捉更精细的特征，而且，这种仿真需要涉及到武器方方面面 的物理特性换句话说，实验室需要那种比如今超级计算机能提供的仿真更具体，更有预见性的仿真模拟，所 以，必须全力以赴来研究未来的超级计算机前往“三位一体”（Trinity）的道路最终，或许到了 2020年的时候，计算机将达到一个新的高度水平，达到每秒100万亿亿次浮点运算，这要比“走鹃”快上1000倍这样的速度对于国家安全实验室来说是一个好的预兆但是随着 超级计算机速度的提升，未来的超级计算机需要变得更加节能，因为只有这样才能被一个节能意识越 来越强的世界所接受走鹃”在节能方面迈出了一大步，尽管比“天空”要古老、笨重，但'走鹃”可以用更少的耗能来达到 相同的速度未来的计算机也需要努力赶上它的成功，在速度和所需能源都在增长的情况下，在这 方面做出改进。

未来的超级计算机也需要新的内存方案来解决在仿真过程中使用和产生的大量数据存 储问题与存储相关联的是数据弹性，而数据弹性是超级计算机很重要的一个问题超级计算机由 上万个处理器组成，这些处理器各自运算但又相互依赖，共同维持整个运算过程的进行这意味着 一旦有某个处理器停工，整个计算过程就会停止而且随着系统中的处理器越来越多，失败的几率也 逐渐增加了计算机为了尽量减少这种失败 带来的损失，使用了“检查点”的方法，它会定期将当前的 运算状态存储到硬盘，这样一旦发生问题，可以从最近的一次检查点恢复计算过程这样停工的时间 就能少一点，"检查点”的存储和读取的速度越快，停机的时间就越短一这就是存储的弹性，未来计算 机的设计者需要在计算的弹性上多下一点功夫高效、高弹性同时达到100万亿亿次运算级并不是一蹴而就的，而是一代一代发展下来的，而进 程到下一代将是洛斯阿莫斯实验室的“三位一体”"三位一体”会采用“先进技术系统”一这是ASC项目继"先进架构”之后提出的一个新概念"三位一。