商業(yè)
袁姍姍真去哀牢山拍戲了
把每個(gè)區(qū)域的問題獨(dú)立處理，
楊亮
4小時(shí)前
藥物研發(fā)人工智能{超算}：到底管、多少事
2025-07-28 16:09:59
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在上一篇文章中，我們揭開了神威·太湖之光的“中國(guó)芯”——申威26010處理器的奧秘。但超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)值，遠(yuǎn)不止于此。那么，它究竟能做什么？這個(gè)龐然大物是否只是科研院所里的高端設(shè)備？又或者，它是否離我們的日常生活遙不可及？
事實(shí)上，超級(jí)計(jì)算機(jī)早已悄然融入我們的世界。它預(yù)測(cè)天氣、模擬臺(tái)風(fēng)路徑，幫助科學(xué)家研發(fā)新藥、篩選抗癌分子，甚至在人工智能訓(xùn)練中扮演幕后助手的角色。從自然科學(xué)到工程制造，從醫(yī)療健康到社會(huì)治理，“超算”已成為現(xiàn)代科技社會(huì)不可或缺的算力引擎。我們看不見它，卻無時(shí)無刻不在受益于它。超級(jí)計(jì)算機(jī)就像科學(xué)家的“望遠(yuǎn)鏡+加速器+放大鏡”三合一工具，幫助人類在不可實(shí)驗(yàn)、不易觀測(cè)、極難預(yù)測(cè)的問題上，找出答案。
今天，就讓我們一起看看，這臺(tái)“國(guó)之重器”如何用算力改變我們的生活。
神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)
（圖片來源：國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心）
氣候模擬與天氣預(yù)報(bào)：看得更遠(yuǎn)，報(bào)得更準(zhǔn)
當(dāng)我們用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)天氣或模擬氣候時(shí)，其實(shí)是去解一組極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程——這些方程描述了大氣中風(fēng)速、溫度、水汽等變量如何隨時(shí)間和空間不斷變化。這相當(dāng)于在用計(jì)算機(jī)重建整個(gè)地球的大氣，不僅數(shù)據(jù)量巨大，而且要求精度極高。為此，科研人員在“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上開發(fā)出一套全新的大氣模擬求解器，能夠高效處理這些極為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。
這套求解器采用了先進(jìn)的“異構(gòu)多重網(wǎng)格”算法，就像把地球大氣分成許多小塊，讓每塊都能被快速高效地并行計(jì)算。同時(shí)，它還通過一種名為“不完全LU分解”的方法，把每個(gè)區(qū)域的問題獨(dú)立處理，大幅提升了并發(fā)效率。得益于這些優(yōu)化設(shè)計(jì)，“神威·太湖之光”可以實(shí)現(xiàn)公里級(jí)分辨率（1公里×1公里的精細(xì)網(wǎng)格尺度）的模擬。這項(xiàng)成果使其榮獲了2016年國(guó)際高性能計(jì)算領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)——“戈登·貝爾獎(jiǎng)”。
擴(kuò)展全球大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬
（圖片來源：國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心）
除了基礎(chǔ)研究，這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)也直接服務(wù)于我們的現(xiàn)實(shí)生活。在國(guó)家氣候中心的牽頭下，神威超算平臺(tái)承載了一套區(qū)域精細(xì)化氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)。它結(jié)合了高性能計(jì)算、數(shù)值模擬與平臺(tái)工程技術(shù)，能針對(duì)我國(guó)特定區(qū)域進(jìn)行逐月滾動(dòng)的氣候預(yù)測(cè)。簡(jiǎn)單來說，它幫助我們更早、更準(zhǔn)確地知道下個(gè)月哪里可能下大雨、哪里可能干旱。
這套系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)多年參與我國(guó)汛期氣候預(yù)測(cè)的官方會(huì)商工作。尤其是在2020年汛期，預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出的降水預(yù)測(cè)評(píng)分高達(dá)81分，在歷史同類預(yù)測(cè)中名列前茅，為防災(zāi)減災(zāi)提供了重要依據(jù)。神威·太湖之光正讓氣候預(yù)測(cè)從“經(jīng)驗(yàn)判斷”走向“高精度模擬”，讓我們離“看清未來的天氣”更進(jìn)一步。
新藥研發(fā)與疫情建模：抗疫背后的“算力戰(zhàn)”
一款藥物是否優(yōu)秀，并不僅僅取決于它的治療效果，還要看它是否具備較低的毒副作用——這正是現(xiàn)代藥物研發(fā)面臨的難題之一。如今，科學(xué)家已經(jīng)能較為準(zhǔn)確地評(píng)估化合物與某些特定靶點(diǎn)的結(jié)合能力（即藥效），但要全面了解一個(gè)藥物分子是否會(huì)與體內(nèi)其他蛋白質(zhì)發(fā)生意外作用（即毒性），依然是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
在毒副作用的研究方面，我們還缺乏真正理性設(shè)計(jì)的能力，往往只能依賴昂貴且耗時(shí)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。而在后期投入巨大的臨床階段，許多本來被寄予厚望的候選藥物，最終卻因毒副作用問題而被迫終止，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。
究其根源，是因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵突破：目前的實(shí)驗(yàn)手段難以評(píng)估一種藥物是否會(huì)與上千種人體受體產(chǎn)生作用。這正是超級(jí)計(jì)算機(jī)可以大顯身手的地方——其中，分子對(duì)接（DOCK）技術(shù)是目前常用的一種計(jì)算方法，能夠模擬小分子藥物與蛋白質(zhì)受體的結(jié)合情況，用于快速篩選潛在的藥物靶點(diǎn)。
以“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)為例，其在分子對(duì)接測(cè)試中的表現(xiàn)非常出色，平均每個(gè)受體在單核上的計(jì)算時(shí)間僅為0.0075秒，且具備良好的并行處理能力。這類高性能計(jì)算平臺(tái)正在成為推動(dòng)藥物研發(fā)提速的重要工具。
SWDOCK對(duì)接結(jié)果示例圖
（圖片來源：國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心）
人工智能平臺(tái)
國(guó)家超算無錫中心和清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)了基于“神威?太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的人工智能平臺(tái)，其中包括人工智能專用算法庫(kù)的開發(fā)、分布式機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)框架，大數(shù)據(jù)平臺(tái)以及應(yīng)用開發(fā)和部署平臺(tái)等多個(gè)關(guān)鍵的軟件模塊，構(gòu)成了一套完整的人工智能解決方案。
為支持現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用在“神威?太湖之光”上的部署基于申威異構(gòu)眾核處理器(SW26010)，開發(fā)了針對(duì)卷積、矩陣乘等深度學(xué)習(xí)核心計(jì)算模塊的算法庫(kù)swDNN。利用采用計(jì)算任務(wù)劃分、計(jì)算通信重疊、寄存器通信等優(yōu)化技術(shù),計(jì)算模塊達(dá)到了60%的計(jì)算效率。相比于GPU(K40m)上的cuDNN算法庫(kù)，可以取得1.91-9.75倍的雙精度浮點(diǎn)數(shù)性能優(yōu)勢(shì)。
超級(jí)計(jì)算機(jī)或許離我們的生活很遠(yuǎn)，但它的影響無處不在。它幫助我們預(yù)測(cè)天氣、研發(fā)新藥、設(shè)計(jì)新材料、探索宇宙、訓(xùn)練人工智能，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技社會(huì)不可或缺的算力引擎。未來的更多突破，也將從“算出來”開始。
在算力爆發(fā)的時(shí)代，節(jié)能與速度一樣值得關(guān)注?？赐辍吧裢背愕亩嘀赜猛?，你是否還會(huì)疑惑：如此強(qiáng)大的計(jì)算能力，是否會(huì)消耗大量能源？下一期，我們將日常用的筆記本電腦與超級(jí)計(jì)算機(jī)相互對(duì)比，一同探索超級(jí)計(jì)算機(jī)的“綠色革命”，看看這些“算力巨獸”如何實(shí)現(xiàn)高性能與低能耗的完美平衡。
參考文獻(xiàn)：
[1]Yang,Chao,etal.“10M-corescalablefully-implicitsolverfornonhydrostaticatmosphericdynamics.”SC'16:ProceedingsoftheInternationalConferenceforHighPerformanceComputing,Networking,StorageandAnalysis.IEEE,2016.
[2]Fu,Haohuan,etal.“Refactoringandoptimizingthecommunityatmospheremodel(CAM)onthesunwaytaihulightsupercomputer.”SC'16:ProceedingsoftheInternationalConferenceforHighPerformanceComputing,Networking,StorageandAnalysis.IEEE,2016.
[3]Fu,Haohuan,etal.“RedesigningCAM-SEforpeta-scaleclimatemodelingperformanceandultra-highresolutiononSunwayTaihuLight.”Proceedingsoftheinternationalconferenceforhighperformancecomputing,networking,storageandanalysis.2017.
出品：科普中國(guó)
作者：楊超（中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
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