本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種用于大氣動(dòng)力學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的強(qiáng)時(shí)間依賴問(wèn)題的高可擴(kuò)展性全隱式求解器。該求解器使用異構(gòu)多重網(wǎng)格局部分解算法，顯著地加快了求解器的收斂過(guò)程，并利用了粗粒度并行。此外，設(shè)計(jì)了在物理上的多塊異步不完全LU 分解方法來(lái)解決每個(gè)重看子域上的子問(wèn)題，從而進(jìn)一步取得粗粒度并發(fā)。同時(shí),在不同硬件層級(jí)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)層面上的優(yōu)化,充分利用了異構(gòu)計(jì)算單元,從本質(zhì)上減少了數(shù)據(jù)移動(dòng)的開銷。基于“神威?太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)，求解器實(shí)現(xiàn)了快速且準(zhǔn)確的大氣模擬，分辨率達(dá)公里級(jí)，整機(jī)持續(xù)計(jì)算性能為7.95PFlopS。

該應(yīng)用已獲得2016 年“戈登?貝爾”獎(jiǎng)。

本項(xiàng)目基于“神威?太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力,成功設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具，該工具充分發(fā)揮國(guó)產(chǎn)處理器在存儲(chǔ)、計(jì)算、通信資源等方面的優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)選取了唐山大地震震源附近達(dá)320公里X 312公里X40公里的空間區(qū)域以0.001秒為時(shí)間單位，精確模擬了該區(qū)域在地震發(fā)生后 150秒內(nèi)的地質(zhì)變化，分辨率可達(dá)到8米，頻率可達(dá)到 18 赫茲。分辨率越高、頻率越高，對(duì)地震模擬刻畫越精確，能模擬地震的震級(jí)越大，而頻率越高，則對(duì)高頻信息的刻畫越準(zhǔn)確。這也是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)模下的高分辨率、高頻率的非線性塑性地震模擬。

該工具首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)唐山大地(M7.2,1976)發(fā)生過(guò)程的高分辨率精確模擬，使得科學(xué)家可以更好的理解唐山大地震所造成的影響，并對(duì)未來(lái)的地震災(zāi)害救援演習(xí)、預(yù)防預(yù)測(cè)等研究具有重要的借鑒意義。

研究團(tuán)隊(duì)基于新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，研發(fā)了量子計(jì)算模擬器 SWQSIM，提出近似最優(yōu)的張量網(wǎng)絡(luò)并行切分和收縮方法及混合精度算法，可高效擴(kuò)展至數(shù)千萬(wàn)核并行規(guī)模,并提供每秒 4.4 百億億次的持續(xù)計(jì)算性能，與“懸鈴木”200 秒完成 0.2% 保真度的百萬(wàn)采樣任務(wù)相比較，“頂點(diǎn)”需要一萬(wàn)年完成同等復(fù)雜度的模擬 ，SWQSIM 則可在 304 秒以內(nèi)得到百萬(wàn)更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無(wú)關(guān)聯(lián)樣本，打破其所宣稱的“量子霸權(quán)”。

神工坊團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地在“神威?太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上基于swOpenFoam完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模擬。目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)由2個(gè)軸、2級(jí)風(fēng)扇、10級(jí)壓氣機(jī)、一個(gè)短環(huán)形燃燒室，和7級(jí)渦輪組成。網(wǎng)格總量在業(yè)界首次達(dá)到50億，并行規(guī)模達(dá)到65336個(gè)MPI進(jìn)程，強(qiáng)擴(kuò)展性測(cè)試中66560核相對(duì)8320核并行效率保持在80%以上。在“神威?太湖之光”上投入的總核數(shù)為400萬(wàn)核。

本次仿真應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高保真模擬，設(shè)計(jì)人員可以捕捉部件相互作用造成的復(fù)雜現(xiàn)象，并在設(shè)計(jì)的中后期階段對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行合理準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，從而縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。在第18屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)暨第4屆中國(guó)數(shù)字仿真論壇上，本次應(yīng)用斬獲2022數(shù)字仿真科技獎(jiǎng)“卓越應(yīng)用獎(jiǎng)”。

為應(yīng)對(duì)現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)子系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來(lái)的冗長(zhǎng)I/O 路徑、資源競(jìng)爭(zhēng)、應(yīng)用性能低下等問(wèn)題，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心自主研發(fā)了I/O性能監(jiān)控與分析診斷系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱Beacon)。Beacon 通過(guò)輕量級(jí)高可擴(kuò)展的采集架構(gòu)采集超級(jí)計(jì)算機(jī)的全機(jī)全路徑的信息，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位超級(jí)計(jì)算機(jī)的熱點(diǎn)問(wèn)題如：應(yīng)用間沖突干擾、系統(tǒng)降級(jí)、系統(tǒng)配置錯(cuò)誤等，并提出了多種解決方案。

目前,該系統(tǒng)已應(yīng)用到了曙光“派”集群、“神威?太湖之光”和神威新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)上，為用戶和管理員監(jiān)測(cè)應(yīng)用和系統(tǒng)I/O性能、解決I/O問(wèn)題熱點(diǎn)帶來(lái)了諸多便利,幫助解決了上百個(gè)問(wèn)題,服務(wù)了數(shù)百個(gè)應(yīng)用,累計(jì)節(jié)省了數(shù)億核時(shí)。

針對(duì)當(dāng)前氣候氣象數(shù)值模式參數(shù)調(diào)優(yōu)計(jì)算開銷大、尋優(yōu)方法不全面、操作流程復(fù)雜等問(wèn)題，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心自主研發(fā)了集參數(shù)采樣、參數(shù)分析、參數(shù)篩選、參數(shù)尋優(yōu)為一體化的參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化軟件。從敏感性分析、參數(shù)降維、參數(shù)和方案優(yōu)化、集合設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)支撐等多個(gè)維度進(jìn)行綜合的功能設(shè)計(jì)和開發(fā)，幫助模式開發(fā)者和用戶深入理解模式性能和有效開展針對(duì)性的模式性能調(diào)優(yōu)。目前已在多種常用氣候氣象模式中進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高效自動(dòng)化參數(shù)優(yōu)化流程的同時(shí)，也顯著提升了模式模擬能力,能夠幫助用戶大大減少計(jì)算成本，同時(shí)得到更好的模式模擬精度。

國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心承擔(dān)了國(guó)家氣候中心區(qū)域精細(xì)化氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)服務(wù)提供支持，并對(duì)外提供和發(fā)布?xì)夂蝾A(yù)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)充分運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)理念，采用跨領(lǐng)域共同設(shè)計(jì)的方式，融合高性能計(jì)算、數(shù)值模擬和平臺(tái)設(shè)計(jì)等專業(yè)技術(shù),成功搭建了一套區(qū)域精細(xì)化氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng),填補(bǔ)了區(qū)域氣候模式動(dòng)力降尺度技術(shù)在我國(guó)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的空白。 

目前，該系統(tǒng)已形成穩(wěn)定的區(qū)域氣候模式逐月滾動(dòng)集合氣候預(yù)測(cè)體系，業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)精度逐年提升，數(shù)據(jù)產(chǎn)品連續(xù)多年參與汛期氣候預(yù)測(cè)會(huì)商，多次在會(huì)商中取得良好成績(jī)，尤其是在 2020 年汛期降水預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出結(jié)果的 PS 評(píng)分高達(dá) 81分，位列歷史客觀預(yù)測(cè)評(píng)分前列，取得了良好應(yīng)用效果。

藥物性能不僅取決于藥效，而是依賴于藥效和毒副作用等指標(biāo)的平衡。目前，評(píng)估化合物與特定受體結(jié)合能力的研究手段比較完善，但是充分評(píng)估藥物分子與各種蛋白質(zhì)的結(jié)合能力還面臨很大的困難。在毒副作用研究方面尚未具備理性設(shè)計(jì)能力，只能通過(guò)昂貴的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。在投資巨大的臨床研究階段，大批候選藥物因?yàn)槎靖弊饔枚顺雠R床，帶來(lái)巨額損失。評(píng)估藥物與數(shù)千個(gè)受體的結(jié)合能力，目前無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)。分子對(duì)接(DOCK) 是研究小分子與蛋白質(zhì)相互作用的常用工具之一，被廣泛用于快速評(píng)估小分子與受體的結(jié)合能力。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兼容UCSF  DOCK3格式輸入的自研分子對(duì)接軟件SWDOCK。支持神威?太湖之光和新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)。在測(cè)試中可以達(dá)到平均每個(gè)受體在單核組上0.0075s的對(duì)接速度。并且具有良好的并行擴(kuò)展性。

分子動(dòng)力學(xué)模擬是人類認(rèn)識(shí)和了解微觀世界的重要工具之一，是目前觀測(cè)微觀體系隨時(shí)間演進(jìn)的主要手段，在生命科學(xué)和材料學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。

生命科學(xué)

bio-ESMD（biological Exa-Scale Molecular Dynamics）是一款針對(duì)神威系列處理器開發(fā)的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件。其前身是基于神威?太湖之光的分子動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試實(shí)現(xiàn)ESMD。與常見(jiàn)的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件不同，ESMD和bio-ESMD都使用了完全的格點(diǎn)索引實(shí)現(xiàn)，也就是，純正的無(wú)鄰接表實(shí)現(xiàn)，以在SW26010的DMA+GLD/ST框架下將其訪存性能發(fā)揮到極致，從而為后續(xù)的計(jì)算優(yōu)化提供機(jī)會(huì)。

材料學(xué)

生物材料團(tuán)隊(duì)移植了Tersoff、ReaxFF、ILP等力場(chǎng)，并有自研的基于LAMMPS的層間力場(chǎng)LMFF。LMFF在模擬層狀的BNC材料中有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，2022年，由山東大學(xué)、清華大學(xué)和超算中心組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了微米級(jí)石墨摩擦體系的模擬，并且實(shí)現(xiàn)了第一次對(duì)該體系中彈性波的觀測(cè)。