百亿亿次级的时代给我们带来什么？例举4项重大科学进步

自从1946年2月14日美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台可编程序的通用计算机ENIAC,使这个星球上的人类的文明和生活方式进入了飞跃式变化的高速道。在这之前，谁能想到现在的卫星导航、能放在口袋里的无所不能的神奇手机、能做细微外科手术的机器人——这些故事在过去，即使是最富有想象力的古代幻想家也是始料未及。世界上若是真的有“神”？原来这个“神”还是人，这是因为他们掌握了电脑！

为了庆祝百亿亿次级计算机日，Argonne国家实验室重点介绍了一些准备在即将到来的百亿亿次级计算机极光（Aurora)上取得科学突破的项目。

美国第一批百亿亿次超级计算机之一正在美国能源部(DOE)的Argonne国家实验室安装。它被命名为Aurora，其高计算速度和人工智能能力将在一系列科学领域实现今天不可能实现的科学，从气候和材料科学到能源存储和聚变能源。

为了准备“极光”的到来，15个研究小组通过阿贡领导计算设施(ALCF)参加了“Aurora早期科学计划”，这是美国能源部的科学用户设施办公室。通过使用早期的Aurora硬件和软件，这些研究人员正在为系统的架构和规模准备代码。

以下是一些准备在“极光”上取得科学突破的项目。

1.绘制大脑的复杂连接

Argonne大学的研究人员正致力于开发一种大脑连接组——大脑中所有连接的综合地图。这样的地图将使研究人员能够回答诸如大脑结构如何受到学习或退行性疾病的影响等问题。大脑是如何老化的?在超高分辨率成像技术和更强大的超级计算资源出现之前，这类研究几乎是不可能的。

Argonne高级计算机科学家Nicola Ferrier在他的表述中称：整个老鼠大脑的计算时间大约相当于目前超级计算机的100万天。使用整个Aurora，如果一切都运行良好，仍然需要1000天就可以重建大脑连接组的问题需要百亿亿级以上的资源。

2.可视化癌细胞如何扩散

癌细胞可以通过血管从身体的一个部位扩散到另一个部位，这个过程被称为转移。了解这是如何发生的可以指导新的药物和治疗方法的开发，但这一过程仍然笼罩在神秘之中。一个模拟全身血液流动的模型可以在微观水平上预测癌细胞的运动。

杜克大学助理教授阿曼达·兰德尔斯对这方面表示看法时说：开展人们对转移过程的新研究并进行所需的复杂模拟意味着我们需要更强大的计算能力来实时处理大量数据集，极光系统将帮助人们满足这一需求。

3.为实现可持续核聚变能源铺平道路

核聚变等离子体有潜力成为一种清洁能源，但在超高温水平下，它需要被安全控制，它的不稳定性必须得到控制。科学家们正在开发预测模型，以增加中断的预警时间，并致力于消除可持续清洁能源生产过程中核聚变反应的重大中断。

普林斯顿大学天体物理科学教授、美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室首席研究物理学家威廉·唐说:要使经济的核聚变反应堆可行，你真的必须能够预测并控制这些干扰，为了训练预测器达到所需的高精度，你必须使用更强大的百亿亿级超级计算机，这就是我们现在正在做的。

4.加速寻找宇宙的组成部分

物理学家已经发现，除了质子、中子和电子，物质中还有更多的东西。但是否存在比夸克和轻子更基本的粒子呢?研究人员希望通过在百亿亿次计算系统上模拟碰撞事件来找到答案，从而为大型强子对撞机的ATLAS实验提供信息。

Argonne国家实验室(Argonne National Laboratory)的助理物理学家沃尔特·霍普金斯(Walter Hopkins)解释说：基础研究可以给我们带来可能导致社会变革的知识，但如果我们不做研究，它就不会带来任何东西。”

Argonne领导计算设施为科学和工程界提供超级计算能力，以推进广泛学科的基础发现和理解。ALCF由美国能源部(DOE)科学办公室高级科学计算研究(ASCR)项目支持，是能源部在全国致力于开放科学的两个领先计算设施之一。

Argonne国家实验室美国第一个国家实验室，Argonne在几乎每一个科学学科中都开展了前沿的基础和应用科学研究。Argonne的研究人员与来自数百家公司、大学、联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，推动美国的科学领先地位。

杜克大学的研究人员正将使用Aurora百亿次级电脑系统来推进对生物参数在确定肿瘤细胞轨迹中的作用与理解