让“超算”与海洋科研深度融合

海洋试点国家实验室举办超算圆桌论坛。资料图片

海洋试点国家实验室高性能科学计算与系统仿真平台展厅。 资料图片

海洋试点国家实验室高性能科学计算与系 统仿真平台工作人员正在进行测算。 资料图片

海洋试点国家实验室高性能科学计算与系统仿真平台工作人员正在进行测算。 资料图片

10月18日至20日，由中国计算机学会主办，中国计算机学会高性能计算专业委员会、青岛海洋科学与技术试点国家实验室（以下简称“海洋试点国家实验室”）、中国海洋大学、国家超级计算济南中心共同承办，北京并行科技股份有限公司协办的第十四届全国高性能计算学术年会在青岛国际会展中心举行。

年会以“HPC+一切皆可计算”（HPC指高性能计算）为主题，秉承“超算驱动、协同创新、合作共赢、引领未来”的宗旨，促进人工智能、大数据、超算的协同创新，迎接当今产业发展新机遇。海洋试点国家实验室邀请了多位专家，分别围绕超算与智慧未来、透明海洋、深蓝大脑、互联网络、国产E级、穿越时空、海洋量子7个版块深入探讨，就促进信息化与海洋科研领域深度融合方面的最前沿科研成果充分交流。

超算与智慧未来

■中国科学院院士、海洋试点国家实验室主任委员会主任 吴立新 

■海洋试点国家实验室超算平台主任、中国海洋大学信息科学与工程学院院长 魏志强

互联网、人工智能、大数据与实体经济的深度融合是大势所趋，也是山东这样一个制造大省和海洋大省在新旧动能转换方面的重要组成部分，对未来社会发展具有重要的战略意义。

围绕国家在人工智能、大数据、智能制造等领域的布局，各个城市均从技术研发、产业集聚、国际合作等多个方面积极规划。山东省立足实体经济优势，围绕未来海洋、城市、乡村、家庭、企业、健康等领域需求，发展人工智能技术，打造特色鲜明、智能领先、引领未来的互联网实体经济，建设智慧未来世界大会、智慧未来研究院和智慧未来产业集群。

智慧未来世界大会将逐步形成具有品牌影响力、规模化、制度化、持久性的国际产、学、研大会，全力打造人工智能、互联网和大数据领域的高端交流平台。

智慧未来研究院旨在打造立足国产自主技术的大数据、网络、智能软件、安全服务的技术研究中心，瞄准智慧未来前沿技术，组建国际一流科研队伍，立足智能理论研究，开展国产智能芯片研发，推动智能终端设备产业化发展。

智慧未来产业集群将围绕国民经济主战场，立足山东优势和本土特色，依托山东省优势科研机构群、家电电子优势企业群、制造优势企业群和驻鲁央企优势企业群，在未来海洋、未来城市等六大领域打造智慧未来产业研发中心，构建特色鲜明、集聚效益突出、影响力重大的未来产业集群，共同打造智慧未来共同体。

在未来社会，一切皆计算，一切皆智慧。以未来世界大会影响全球、以未来研究院汇聚智力、以未来产业集群驱动新旧动能转换，将有力推动山东人工智能产业实现快速高质量发展，并将惠及城市、乡村、家庭、交通、制造及医疗等方方面面。

超算与透明海洋

■中国海洋大学教授 张绍晴 

■海洋试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室副主任、中国海洋大学教授 陈朝晖

“透明海洋”大科学计划旨在建立海洋立体观测系统，获取海洋环境综合信息，建立预测系统，掌握海洋环境变化，实现目标海域“看得清、查得明、报得准”。该计划针对特定海区，实时或准实时获取和评估不同空间尺度的海洋环境信息，研究其多尺度变化及气候资源效应机理，并以此为基础，预测未来特定一段时间内海洋环境、气候及资源的时空变化。在信息化时代，“透明海洋”将与大数据、“互联网+”“人工智能2.0”等国家和区域重大战略深度融合，并肩助力超算中心建设，提升我国在海洋环境观测预测方面的科研能力。

“透明海洋”大科学计划已经取得了一系列丰硕成果。在该项目支撑下，海洋试点国家实验室凭借其自有的全球海洋领域最快超级计算机，联合美国国家大气研究中心、美国地球流体动力学实验室、欧洲中期天气预报中心和澳大利亚联邦科学与工业研究组织等世界领先海洋机构，以10公里的精度计算了未来500年全球海洋气候演化过程，向全世界提出了中国方案，发出了中国声音。海洋试点国家实验室率先以3公里超高精度，实现了对我国海上丝绸之路的“两洋一海”区域未来15天的海况与大气每日常态化预报。这为远洋航运和渔业捕捞提供了精准的信息支持，对保障海洋战场环境意义十分重大。

在近海生态环境保护方面，依托“透明海洋”大科学计划，能够更为有效地开展海洋生态环境演变、海洋资源可持续利用、重大生态灾害模拟等研究，更加精细化地预报浒苔、赤潮等生物灾害以及台风、干旱等自然灾害。在海洋生物资源方面，分析重构水产大数据，构建海洋牧场生态评价系统和渔业捕捞服务系统，也为海水养殖的智能预警、精准调控、智慧管控提供帮助和指导。

超算与深蓝大脑

■海洋试点国家实验室超算平台主任、中国海洋大学信息科学与工程学院院长 魏志强 

■海洋试点国家实验室超算平台副主任 贾东宁

随着大数据的汇集、理论算法的革新和计算能力的跨越式提升，人工智能技术进入了飞速发展时期，不仅为科学技术研究创造了新的可能性，也成为经济社会发展的新引擎，在各个领域开始发挥它的神奇威力。

从机器视觉、语音识别、人脸识别等基础性应用技术，到人机博弈、语音交互、机器翻译等专业应用技术，再到无人驾驶、智能制造、智慧医疗、智慧农业、智能交通、智能家居等综合应用技术，人工智能渗透到生活的各个角落，将彻底改变我们的工作和生活方式。

随着脑科学和人工智能技术的进一步发展，以类脑智能为代表的新一代人工智能技术逐渐绽放光芒。它更侧重于以超级计算机技术利用神经形态计算来模拟脑功能，通过将人脑的内部机理融入机器系统，提高机器的认知、学习和控制能力，进而产生更深度的交叉与合作，成为人工智能开发研究的新平台。

海洋试点国家实验室基于自身计算能力和数据优势，将人工智能技术与海洋科学研究工作深度融合，全力打造“深蓝大脑”，以海洋各领域为研究对象，以人工智能为技术核心，全方位汇集海洋感知数据和领域信息，通过在海量数据信息中归纳和演绎海洋数据模型，将传统的海洋知识从被动发现变为主动发现，实现了从传统的专家经验建模到机器学习的转变。未来的“深蓝大脑”将面向浩瀚海洋，实现从机器智能向类脑智能的转化，实现从机器学习到深度学习再到自主学习的跨越，从而在信息处理机制上类脑、认知行为和智能水平上类人，使机器拥有人类认知能力及协同机制，实现对未来透明海洋系统的智能自驱动、自发现和自演进。这是“深蓝大脑”进化的必由之路，也是海洋科学技术发展的重要途径。

超算与互联网络

■齐鲁工业大学（山东省科学院）党委书记 王英龙 

■国家超级计算济南中心副主任 潘景山

超算互联网是现代科研高效集约化利用计算资源的产物。然而，超算中心因“功耗墙”和设计复杂性等原因，在垂直方向上升级越来越困难，而现有基于互联网、教育科研网等高延迟、低带宽传输效率的网络也越来越不能满足用户日益增长的高效计算资源供给需求，所以必须利用高速、低延迟、高带宽利用率的专用网络联通各个超算中心，由此产生了超算互联网和国家分布式超算中心的必然需要。

海洋研究需要对巨大的数据量、众多的数据源以及异类的数据集调查、观测、计算，并对海洋大数据进行快速交互与分析处理。基于超算互联网技术示范系统，我们已把国家超算济南中心、无锡中心、海洋试点国家实验室超算中心互联互通，组建成为超算大科学装置群，其目的就是为了服务于全球海洋系统模拟器的建设。

2017年11月，海洋试点国家实验室已与国家超级计算无锡中心、国家超级计算济南中心签署共建战略协议，通过构建国际超算大科学网络基础设施，有效整合区域和全球超算中心服务能力，共同服务于国际超大规模协同计算任务。

同时，海洋试点国家实验室与中国电信、中国教育网签署合作协议，共建交互性强、覆盖面广、反馈迅速、资源丰富的超算互联基础设施，打造国际海洋领域的“超级大脑”。

通过超算大科学装置群、超算互联网建设，实现高效计算与数据资源供给，加强超算生态建设，全力打造超级计算和人工智能生态圈。

超算互联网作为打造海洋深蓝大脑的动脉网，对实施透明海洋、深海极地、蓝色生命等大科学计划以及实施推进健康中国战略意义重大，对促进国内外科技合作、提升我国的科技竞争力，具有重要的支撑作用。

超算与国产E级

■中国科学院计算所研究员、中国计算机协会高性能计算专委会秘书长 张云泉 

■国家超级计算济南中心主任 杨美红

E级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机，被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”。目前，中国、美国、日本和欧盟均提出研制百亿亿次计算机计划，人类将进入E量级计算时代。

我国超算历经高性能计算机及核心软件、高效能计算机与网格服务环境、高效能计算机及应用服务环境、高性能计算4个五年计划，超级计算机研制、应用研发、环境建设等方面都取得重大进展。中国在超算应用领域的发展让人惊叹，在高性能计算技术特别是应用领域的发展势头非常强劲。

在国家重点研发计划支持下，国家并行计算机工程技术研究中心联合国家超级计算济南中心等团队经过两年多的关键技术攻关和突破，研制成功神威E级原型系统，并在国家超级计算济南中心完成部署并投入使用。但E级计算生态建设之路才刚刚起步，透明海洋、蓝色生命、深蓝大脑等大科学问题为海洋E级计算生态建设提供支点、要地和主战场。

当前的E级超算研发与建设主要面临3个挑战：一是需要研究如何降低功耗，实现绿色计算。E级超级计算机需要将功耗控制在30兆瓦左右，目前已经不能单纯依靠更换线圈来实现；二是必须增强元器件的可靠性，保障长期健康高效运转。E级超级计算机可能有上亿个部件同时运行，任何一个部件出现问题都可能导致E级超算停机；三是需要提高可扩展能力。

随着我国超级计算机技术的发展，超算的应用领域正逐渐拓宽，从国家安全、气候气象预报、深空/深海/深地探测等国家战略领域，到互联网、云计算、大数据、人工智能、基因测序、金融计算、先进制造、智慧海洋等领域，成为促进基础科学研究和重大技术攻关的重要手段。

超算与穿越时空

■中国科学院院士、中国科学院地球环境研究所研究员 安芷生 

■中国科学院院士、海洋试点国家实验室主任委员会主任 吴立新 

■中国海洋大学博士后 顾思凡

用地球气候模式模拟并与古气候观测资料相结合，对理解气候变化、验证现代气候模式以及预测未来地球气候变化至关重要。例如，从末次盛冰期（约21000年前）到工业革命前，大气二氧化碳含量增加了50%，全球平均增暖3至5摄氏度，海平面升高近120米。这些气候变化的巨大信号为验证当代气候模式和理解气候变迁提供了一个绝佳的研究对象。

气候模拟的发展很大程度上依赖于计算资源。过去由于计算资源的限制，气候模式通常只能对古气候做短期的切片模拟或非同期耦合试验，无法研究深海环流的缓慢变化以及与未来气候变化密切相关的气候突变。

近几年，国际上古气候模拟又有了新的发展。例如，为了能进一步模拟与古气候代用资料直接比较的地球同位素，美国俄亥俄州立大学和美国大气科学中心等单位合作在气候模式上成功加入了多种同位素模块，并推出了模拟过去21000年来全球同位素与气候协同演变的实验。同时，德国科学界也推出了一个全国性的古气候模拟计划，对最近10万年来的整个地球系统冰期—间冰期大旋回进行超长期模拟。

我国超算近年突飞猛进的发展，为超长期古气候模拟提供了必要条件。今年，海洋试点国家实验室及其超算中心与多院校单位进行交叉学科合作，计划用包含同位素模块较高分辨率的地球系统模式，对过去25000年的全球同位素及气候的演变，进行“穿越地球时空”的第一次超长期模拟实验，为我国超长期气候模拟打下坚实基础。

预计2020年建成的E级超算中心，将使我国超长期气候模拟跃上新台阶，使我国超长期模拟向超高分辨率全耦合地球系统模式方向发展，助力我国地球气候系统模拟达到国际领先地位。

超算与海洋量子

■中国海洋大学信息科学与工程学院副院长 顾永建 

■中国科学技术大学教授 郭国平

量子信息是量子物理与信息科学的结合，以量子态为基本单元，开发遵从量子力学规律的量子器件，基于量子力学规律实现信息的传输、存储、处理和操控。目前，量子信息科学正在迅猛发展，“墨子号”量子科学卫星升空运行，京沪量子通信干线建成开通，量子计算机研制取得突破，量子信息技术正在迈向实用化和产业化。

量子信息包括量子计算、量子通信和量子测量。量子计算是一种全新的超级计算形态，它和机器学习固有的统计性质之间存在天然的结合可以带来机器学习效率的大幅提升。因此，量子计算在气候预测、海洋动力过程模拟、海洋药物开发等领域大有用武之地。量子通信是利用量子纠缠效应传递信息的一种新型通信方式，能够实现海洋大容量数据的安全传输。量子测量不同于传统的声光电磁测量技术，测量本身与被测量系统相互影响，可以实现传统海洋探测性能大幅度提升，甚至完成原本无法完成的任务。量子信息技术为海洋技术揭开了全新面纱，推动海洋科学从经典物理迈向现代物理。

面对量子信息技术的飞速发展，我们要把握历史机遇，加强产学研机构深度耦合，努力实现海洋技术和量子技术的融合发展，逐渐形成和发展壮大海洋量子技术这一新领域。近期，量子技术专家和海洋技术专家一道，将在国产超算系统上部署量子虚拟机，建立研发平台，实现量子语言、量子程序、量子芯片、量子测控系统和量子人工智能标准的建立，为下一代基于量子技术的海洋超算做好技术储备。

量子信息科学为现代科学研究提供了全新的实验方法和工具，在物理科学与信息科学耦合推动下，量子信息技术必将深刻改变我们的未来。

《 人民日报 》（ 2018年10月24日 15 版）