（文/Andrew Myers) 預(yù)測(cè)超音速噴氣機(jī)引擎產(chǎn)生的噪聲是一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。日前，斯坦福大學(xué)湍流研究中心(CTR)的研究人員在勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)里，用一臺(tái)基于Bluegene/Q架構(gòu)的IBM Sequoia百萬(wàn)核芯計(jì)算機(jī)成功解決了這個(gè)問(wèn)題，與此同時(shí)，他們也創(chuàng)下了一項(xiàng)計(jì)算機(jī)科學(xué)界的新紀(jì)錄：首次突破了超級(jí)計(jì)算的“百萬(wàn)核瓶頸”。

研究人員本次使用的IBM Sequoia超級(jí)計(jì)算機(jī)曾一度問(wèn)鼎全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜，它基于BlueGene/Q架構(gòu)，擁有多達(dá)1572864個(gè)計(jì)算核芯（處理器）和1.6PB（1PB=1024TB）的內(nèi)存，處理器與內(nèi)存之間通過(guò)一個(gè)高速五維環(huán)面互連。

CTR的助理研究員約瑟夫·尼科爾斯(Joseph Nichols)有幸能利用Sequoia進(jìn)行工作，這一次，尼科爾斯證實(shí)了百萬(wàn)核芯級(jí)別的流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算是可行的，人們也能夠利用它設(shè)計(jì)出更安靜的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

為什么要進(jìn)行這樣的仿真？

高性能飛機(jī)的排氣通風(fēng)裝置是最強(qiáng)的人造噪聲源之一，當(dāng)飛機(jī)在起飛和降落時(shí)其威力尤為驚人。對(duì)于地面工作人員來(lái)說(shuō)，哪怕是戴著最先進(jìn)的聽(tīng)力保護(hù)設(shè)備，也難逃其衍生的危險(xiǎn)環(huán)境；而對(duì)于機(jī)場(chǎng)周邊的居民來(lái)說(shuō)，這樣的噪聲擾亂日常生活事小，拉低了房產(chǎn)價(jià)值則是大事。由此便不難理解工程師們?yōu)槭裁聪胍O(shè)計(jì)出更安靜的飛機(jī)引擎，并進(jìn)行這樣的仿真工作了。

有一種思路是改變排氣口的形狀，從源頭上減少噪聲，也就能生產(chǎn)出更安靜的飛機(jī)。然而排氣通風(fēng)裝置所處的極端環(huán)境顯然不滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作條件，更別說(shuō)讓科學(xué)家仔細(xì)研究測(cè)量其中的具體進(jìn)程了。作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型，復(fù)雜的預(yù)先仿真在這樣的設(shè)計(jì)活動(dòng)中就派上了用場(chǎng)。從這些仿真中獲得的數(shù)據(jù)既推動(dòng)著以計(jì)算為基礎(chǔ)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也推動(dòng)著研究人員發(fā)現(xiàn)噪聲的物理性質(zhì)。

上圖是噴氣機(jī)噪聲仿真中的圖片之一，左邊的灰色物體即為一種新設(shè)計(jì)的引擎排氣口，橙紅色部分代指排氣溫度，藍(lán)綠色部分代指聲場(chǎng)。排氣口邊緣呈V形可以加強(qiáng)湍流的混合，從而減少噪音。圖片來(lái)源：斯坦福大學(xué)湍流研究中心

核越多，挑戰(zhàn)越大

“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的仿真，比如尼科爾斯所做的工作，是極其復(fù)雜的。直到最近，伴隨著擁有百萬(wàn)核芯的超級(jí)計(jì)算機(jī)的到來(lái)，工程師們才能夠快速而準(zhǔn)確地制作出噴氣式飛機(jī)引擎的模型，并對(duì)它們產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行仿真”，CTR的主管帕爾維茲·莫恩(Parviz Moin)說(shuō)道。

CFD仿真可以全面地測(cè)試一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能。在仿真過(guò)程中傳播的光波，需要計(jì)算性能、內(nèi)存和通信能力的完美平衡，就像一個(gè)精心配合的交響樂(lè)團(tuán)一樣。像Sequoia這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以將復(fù)雜的計(jì)算分為更小的部分，從而能實(shí)現(xiàn)各部分的同時(shí)運(yùn)算。擁有的計(jì)算核芯越多，計(jì)算的速度和能承受的復(fù)雜度越高。

但千萬(wàn)不能認(rèn)為運(yùn)算從此就變得簡(jiǎn)單了，事實(shí)上，拋開額外需求的計(jì)算功率不說(shuō)，越來(lái)越多的計(jì)算核芯反而讓運(yùn)算變得更具挑戰(zhàn)。在百萬(wàn)核芯級(jí)別下，程序代碼中原本無(wú)傷大雅的細(xì)微部分也會(huì)瞬間成為制約計(jì)算的瓶頸。

突破瓶頸

在過(guò)去的幾周里，斯坦福的研究人員和LLNL的計(jì)算機(jī)技術(shù)人員一直在共同致力于解決上面所說(shuō)的這些小問(wèn)題。上周，他們?nèi)找咕o盯著終端在第一次全系統(tǒng)規(guī)模仿真時(shí)的表現(xiàn)，來(lái)看看首次運(yùn)行能否達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行性能。當(dāng)?shù)谝淮蜟FD仿真的初始化通過(guò)時(shí)，他們已經(jīng)難掩心中急切，等到代碼性能不斷提高并超越重要的百萬(wàn)核芯閾值，再加上計(jì)算時(shí)間有了堪稱“戲劇性”的縮短，他們的激動(dòng)心情早已溢于言表了。

“這幾次運(yùn)行的計(jì)算能力比CTR之前做過(guò)的規(guī)模最大的仿真還要強(qiáng)，至少是一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升”，尼科爾斯說(shuō)，“這對(duì)仿真技術(shù)的影響是令人難以置信的。”

“回歸” 

從各方面來(lái)看，這次的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于尼科爾斯都堪稱一次“回歸”。早在1994年，當(dāng)時(shí)還是高中生的他在勞倫斯·利弗莫爾計(jì)算設(shè)備中心參加了一個(gè)暑期項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目為期兩周，由美國(guó)能源部贊助。年輕的尼科爾斯當(dāng)時(shí)在一臺(tái)Cray Y-MP型計(jì)算機(jī)上工作，那也是彼時(shí)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。從那時(shí)起，他就立下了深入研究超級(jí)計(jì)算機(jī)的決心。

“Sequoia大約比Cray Y-MP強(qiáng)大一千萬(wàn)倍”，尼科爾斯說(shuō)。

這次實(shí)驗(yàn)同樣也是斯坦福大學(xué)的一次回歸，而且是更深層次的回歸。在此次研究中用到的計(jì)算機(jī)代碼被稱為CharLES，是由斯坦福前高級(jí)研究助理弗蘭克·漢姆(Frank Ham)開發(fā)的，該代碼利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)模擬復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中存在的湍流。

除了進(jìn)行噴氣式飛機(jī)噪聲的仿真，CharLES代碼還被斯坦福的研究人員用于研究高超音速飛行的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)（這是一個(gè)前沿概念，意指以多倍于音速的速度飛行），也被用來(lái)仿真整個(gè)飛機(jī)機(jī)翼上的湍流。而這些同樣是一個(gè)由美國(guó)能源部贊助的項(xiàng)目，名為仿真科學(xué)學(xué)院聯(lián)盟計(jì)劃(PSAAP)。

 

 

文章編譯自：Stanford University STANFORD RESEARCHERS BREAK MILLION-CORE SUPERCOMPUTER BARRIER