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科学与工程计算国家重点实验室:深猷远“计” “数”往知来
2021-09-06 | 编辑:
 

     

作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/3

科学与工程计算国家重点实验室:深猷远“计” “数”往知来

近来,科学与工程计算国家重点实验室(以下简称“实验室”)年轻的科研人员崔涛不断地收到学界和企业界的同行好友邀约讲座和“感谢”,其都源于实验室开创的一项成果。

“我们算法的实现是基于PHG”“基于PHG开发了相关模型的计算程序”“使用PHG,让我们团队更专注算法研究,大大提高了计算规模和效率”......

他们提到的“PHG”就是,我国完全自主知识产权、可支持普通计算服务器至十亿亿次级超级计算机的三维并行有限元软件开发平台,它有效帮助研究人员以较低的开发投入、较快的速度研制相关程序,提高算法研究和并行软件研制的效率。更重要的是,因各方面原因,当前我国工业软件自身“造血能力”的欠缺,“PHG”平台对我国工业软件突破欧美国家技术封锁具有重要意义。

“立足国家需求,聚焦‘卡脖子’技术,挑战科学与工程计算中最难的数学问题,这是我在实验室最主要的任务,尽管过程可能漫长、艰辛。”崔涛说。

PHG平台从创立到应用,也促使崔涛从研究生成长为一名独立研究员。

攀登高峰的匠心

这是一段关于两代人的创新故事。

上世纪后半叶,科学计算兴起,它在科学研究和工程计算中发挥着不可替代的作用,一个国家的科学计算能力已成为国家竞争力的重要标志。近半个世纪以来,利用计算机来模拟结构、流体、电磁、量子等各种物理过程的科学与工程计算应用软件得到了巨大的发展。

2000年,国家973计划项目“大规模科学计算研究”启动,中国科学院数学与系统科学研究院(以下简称“数学院”)研究员陈志明和张林波担任课题组长。

“德国的‘ALBERTA’开源自适应有限元软件包的计算速度和内存大小有限,满足不了三维问题的计算要求,你们能不能把它‘并行化’?”陈志明向张林波询问道。

“工作量及难度的确有些大。”张林波还是决定试试。然而,在研究过程中,他们发现,由于ALBERTA软件的自身限制,将其并行化不仅工作量巨大,还会有许多先天的局限。

“事实上,当前,高性能科学计算程序和软件研制周期长、工作量大,无法满足高性能计算应用和算法研究需求,是一个瓶颈问题。”张林波告诉《中国科学报》,他们发现了更“普遍”的问题。“应该针对特定的算法或应用领域,研制具有自主知识产权的共性高性能科学计算软件平台或应用框架,用于支撑应用程序和软件研制。”

尤其是近年来,我国超级计算机已经连续多年排名世界第一,但超级计算机上运行的科学与工程计算应用软件水平却距离国际先进水平有不少的差距,部分行业的大型科学与工程计算应用软件成为了国外限制我国发展的 “卡脖子”技术。比如:用于芯片设计的EDA(电子设计自动化)软件都掌握在美国和欧洲的大公司中,目前已对我国部分企业实施封锁,对我国信息与芯片产业产生巨大影响。

此外,过度依赖国外工业软件,既不利于我国工业技术的创新和积累,高端化转型可能受阻。同时,工业软件使用过程中产生的大量工业数据和商业信息还存在被窃取的风险。

解决我国工业软件自主化问题已经到了迫在眉睫的时刻。

那时,他们有了初步想法。

时间到了2005年,复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室曾璇教授给陈志明和张林波提出了一个难题:如何高效高精度进行互连线寄生参数提取,是芯片设计软件(EDA)的瓶颈问题,“最好有一个可实用的工具,纯粹的程序员需要花大量时间和精力去学习理解数学文章中的算法,甚至还无法抓住算法本质。”

事实上,当时芯片设计软件并未得到十分重视。当年,国家973计划项目“高性能科学计算研究”启动,陈志明担任首席科学家,张林波担任“大规模并行计算研究”课题组长,开始专注芯片设计仿真等领域的并行自适应有限元程序的研制。

“这是一个非常有挑战的事情。”崔涛坦承,他当时作为张林波的博士生参与平台研制工作,“困难在于,如何让计算程序支持可扩展的非结构协调网格局部自适应加密、支持国产计算机体系结构和支持多样的有限元计算”。

经过反复交流思考,他们找到了突破口——用于支持互连线寄生电感参数求解和变压器仿真等典型电磁场计算问题的自适应有限元算法研究及应用软件研制。

2010年,基于PHG开发的寄生电感参数提取工具包成功在当年世界最快的超级计算机“天河一号”上完成了十亿自由度、数万核规模的大规模并行自适应计算试验,这坚定了他们继续发展并行自适应有限元软件开发平台并拓展其应用范围的信心,曾璇教授给陈志明和张林波提出的难题成功解决。

“这是一个从应用需求出发,到数学模型、数值方法开发,最后变为工具软件的全链条研究。”陈志明说。

如今,PHG平台作为我国完全自主知识产权且唯一支持国产超级计算机的三维并行自适应有限元软件平台,具备支撑面向万亿至十亿亿次级超级计算机的并行有限元应用程序开发的能力,迄今陆续被多个企业和应用领域的研究团队使用,支撑工程力学计算、冰川模拟、生物计算等重要应用需求问题的高性能计算。

挑战难题的初心

挑战科学与工程中的重大计算难题,始终流淌在科学与工程计算国家重点实验室的血脉之中。

这是实验室的创始人、中国计算数学的奠基人和开拓者、中国科学院院士冯康,在实验室成立之初便定下的。

看到国际科学计算的发展势头和重要意义,1986422日,冯康等学者联名向国家领导人上表“紧急建议”,使得科学计算在国家科学规划中获得应有位置。随后的1990年,冯康再次推动且牵头筹建“科学与工程计算国家重点实验室”,1995年,实验室作为首批国家重点实验室通过验收并投入正式运行。

迄今为止,该实验室是数学领域唯一的国家重点实验室。

既然是“唯一”,就一定要发挥“引领”作用,带领走向世界“最强”,这是实验室的使命。

从国家首批“攀登计划”项目,到连续3次国家“973计划项目”、国家重点研发计划等国家重大科技任务,凡是与科学与工程计算相关的项目,均由实验室牵头,取得了包括有限元方法及其数学理论、哈密尔顿系统保结构算法和自然边界归化方法等在内的多项重大原创性成果。通过组织这些国家科学计划,实验室凝聚了全国相关优势力量,促进科学与工程计算的学科发展、人才培养、重大成果产出等,推动中国科学计算步入世界领先。

承袭先贤步伐,实验室面向科学与工程中的重大计算问题,进行基础性和关键性的算法创新、理论创新和技术创新,研制反映国际科学计算最新成果的高性能科学计算软件,凝聚了有限元方法,最优化与数值代数,复杂系统的电磁和流动问题的计算,动力系统保结构算法,材料物性的多物理多尺度计算,计算几何与图像处理,生物分子模拟与计算,高性能科学计算软件平台等方向。

近年来,戴彧虹研究员在连续优化、整数规划与应用优化,戴小英研究员在发展误差可控的电子结构计算的方法与理论,刘歆研究员在Stiefel流形优化的免正交化方法、分布式算法的设计及其理论分析,明平兵研究员在缺陷固体宏微观模型的数学理论,许志强研究员在建立数据科学中最少观测次数的代数理论以及压缩感知、相位恢复的算法等方面取得了众多突破性成果。

“实验室发挥了其应有贡献。”中国科学院院士、实验室学术委员会主任袁亚湘告诉《中国科学报》。

但他认为还不够,科技发展进入激烈竞争时代,工业软件成为制约我国工业科技发展的重要“卡脖子”问题,直面国家重大需求,更多年轻人应在其中发挥更大作用,“工业软件的核心是先进数学算法,科学与工程计算一直是国际上的研究热点,处于国际科技竞争的核心。实验室作为一支专门从事科学计算基础研究的国家战略研究力量,应为我国自主工业软件发展提供核心算法和基础理论方面的有力支持。”

人才成长的耐心

今年56日,实验室研究员郑伟英因其在电磁场问题的计算方法和理论等方面做出的突出贡献荣获第十四届“冯康科学计算奖”,该奖得主均为国内外青年计算数学家中的佼佼者。

郑伟英从北京大学博士毕业后,便选择在中科院数学与系统科学研究院做博士后,合作导师是陈志明研究员,留下工作至今已近20年。从初窥门径,独立科研,到成为研究方向的一位学术带头人,实验室培养且见证了郑伟英成长的每一步。

选择科学与工程计算国家重点实验室作为科研起步的平台,在郑伟英看来,对他从博士毕业生到独立科研工作者的成长过程起到了关键性的作用。

“做好的研究,不只是发表几篇文章就行了。”郑伟英有切身感受,年轻人加入到高水平科研团队,有利于扩大科研视野,提高学术品位。“尤其是做计算数学研究,选择研究方向既要符合国家需求、‘有用’,又要有科学意义,年轻人在科研生涯初期能得到大科学家的指点和引领是非常重要的。”

博士后结束大约一年后的某天,陈志明与郑伟英聊天时说:“你以后要自己独立做研究,培养独立发现问题和解决问题的能力,减少与我的合作,否则不利于你的成长。”这令当时的郑伟英感觉“忐忑不安”,“就像一直生活在一个大家庭里,突然有一天要外出打拼,‘自立门户’的时候,便对‘前途’有些茫然。”

后来不久,经陈志明“牵线”,郑伟英与保定天威集团合作,开始自己主导变压器的可计算建模和数值模拟研究,研究成果慢慢得到同行认可,相关学术论文也在本领域的国际顶尖杂志发表。践行了科学研究既有用、又有科学意义的初衷。“自己内心也有一种‘长大了’的感觉。”

如今,郑伟英在电磁场问题的计算方法和理论研究方面获得国内外同行的认可,也被数学院聘为“冯康首席研究员”。从一位优秀青年科研工作者的成长之路,可以窥见实验室人才精心培养方式的一斑。

重视优秀青年人才,事关实验室和整个学科的生存和发展。如今,实验室培养起来的多位优秀青年人才已在国际舞台上纷纷崭露头角。当年,冯康先生“重视人才培养”的意愿在实验室得以赓续传承。

作为冯康的研究生,袁亚湘对青年人才的培养有着更为深刻的体会。

38年前,冯康对当时即将出国的博士生袁亚湘说,“如果选择出国,你就别学有限元,你学有限元就别出国。你应该转攻非线性优化。”

有限元为冯康独创,若袁亚湘继续研究,必将其发扬光大。而非线性优化在当时是一门新兴学科,我国与世界先进水平有较大差距。

那几句话,至今令袁亚湘每每想起,仍感触良多。“冯先生是一个真正的科学家,其实他把学生都放在自己门下,学自己东西,更有利于‘壮大势力’。但冯先生是从中国数学发展大局考虑,希望能为国内的数学弱项培养人才。”

如今,袁亚湘逐渐成了青年科研人员的“前辈”,他十分关心包括实验室年轻人在内所有青年科研工作者的成长道路,努力帮助他们营造扎根学术、潜心研究重大问题和原创性科学问题良好环境,还在社会和各种场合极力为青年人呼吁。

正是有着人才培养的耐心,实验室培养了一大批高水平的科学计算人才,包括科学与工程计算领域的多位两院院士。实验室在国际舞台上有着“话语权”,袁亚湘被选为国际工业与应用数学联合会主席,多位研究员在国际上最顶尖的相关杂志作编委,国际数学家大会等国际重要会议的大会邀请报告也都有实验室的身影。

“我们的目标是培养领军科学家。”袁亚湘说,像冯康先生一样,有着创新独立自主,有着敢拼不信邪的信念,真正勇于献身于科学的人才。

服务国家的决心

作为“国家队”“国家人”,必须心系“国家事”,肩扛“国家责”,这是国家战略科技力量的初心使命。

在实现高水平科技自立自强的背景下,面对激烈的国际竞争,从航天航空飞行器设计、地震预测天气预报,到能源勘探、水利水电工程,再到量子计算、芯片设计和基因研究等各个领域,国民经济发展和国防建设对科学计算软件的需求将越发迫切。

科学与工程计算国家重点实验室虽以基础理论研究为主,但他们正努力推动研究成果“落地”。

实验室通过与应用部门合作以达精准应用。戴彧虹研究员与华为合作研究基站设施选址问题,使得原来两小时内无法计算的问题现在只需几秒即可得到全局最优解,并与上海宇航系统工程研究所合作,发展精确着陆段的新型高效算法;卢本卓研究员与中国工程物理研究院电子工程研究所合作,发展了半导体器件及其辐照损伤模拟软3Ddevice;郑伟英研究员与保定天威保变电气股份有限公司合作,发展大型变压器新型仿真算法和软件;张晨松副研究员与中国石油勘探开发研究院合作,研发新一代油藏模拟器HiSim的解法模块,大幅提高了求解效率,并与北京软能创科技有限公司合作,开发页岩气数值模拟的解法模块,应用于十三五国家重大科技专项课题,获中国工业与应用数学学会(CSIAM)首届应用数学落地成果认证。

“未来充满机遇和挑战。”在实验室现任主任张林波看来,“应有更多人、更大规模投入科学与工程计算事业,从基础理论分析、计算方法的构造,到算法实现和软件开发,在国家重大科学计算的原创性问题上做出更大贡献。”

从简单到复杂、从低维到高维,物质世界愈发丰富,高性能计算愈不可或缺,而要想占据制高点,必须在数学上有突破。

“因为数学抽象,所以更有普遍价值,在国家创新体系中的独特作用也不言而喻。我们就是要把其中所涉及到最困难的问题‘扛起来’。”陈志明说。


严加安院士为集群系统题词,左起:郑伟英、周爱辉、袁亚湘、严加安、张林波、崔涛、刘歆


袁亚湘(右)与刘歆讨论


张林波主任


陈志明(右)、郑伟英(左)和崔涛



LSSC-IV科学计算集群系统




中国首套万亿次集群


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