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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:韓揚眉 來源:中國科學報 發布時間: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

近來,科學與工程計算國家重點實驗室(以下簡稱“實驗室”)年輕的科研人員崔濤不斷地收到學界和企業界的同行好友邀約講座和“感謝”,其都源于實驗室開創的一項成果。

“我們算法的實現是基于PHG”“基于PHG開發了相關模型的計算程序”“使用PHG,讓我們團隊更專注算法研究,大大提高了計算規模和效率”......

他們提到的“PHG”就是,我國完全自主知識産權、可支持普通計算服務器至十億億次級超級計算機的三維並行有限元軟件開發平台,它有效幫助研究人員以較低的開發投入、較快的速度研制相關程序,提高算法研究和並行軟件研制的效率。更重要的是,因各方面原因,當前我國工業軟件自身“造血能力”的欠缺,“PHG”平台對我國工業軟件突破歐美國家技術封鎖具有重要意義。

“立足國家需求,聚焦‘卡脖子’技術,挑戰科學與工程計算中最難的數學問題,這是我在實驗室最主要的任務,盡管過程可能漫長、艱辛。”崔濤說。

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員。

攀登高峰的匠心

這是一段關于兩代人的創新故事。

上世紀後半葉,科學計算興起,它在科學研究和工程計算中發揮著不可替代的作用,一個國家的科學計算能力已成爲國家競爭力的重要標志。近半個世紀以來,利用計算機來模擬結構、流體、電磁、量子等各種物理過程的科學與工程計算應用軟件得到了巨大的發展。

2000年,國家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”)研究員陈志明和张林波担任课题组长。

“德國的‘ALBERTA’開源自適應有限元軟件包的計算速度和內存大小有限,滿足不了三維問題的計算要求,你們能不能把它‘並行化’?”陳志明向張林波詢問道。

“工作量及難度的確有些大。”張林波還是決定試試。然而,在研究過程中,他們發現,由于ALBERTA軟件的自身限制,將其並行化不僅工作量巨大,還會有許多先天的局限。

“事實上,當前,高性能科學計算程序和軟件研制周期長、工作量大,無法滿足高性能計算應用和算法研究需求,是一個瓶頸問題。”張林波告訴《中國科學報》,他們發現了更“普遍”的問題。“應該針對特定的算法或應用領域,研制具有自主知識産權的共性高性能科學計算軟件平台或應用框架,用于支撐應用程序和軟件研制。”

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(電子設計自動化)軟件都掌握在美國和歐洲的大公司中,目前已對我國部分企業實施封鎖,對我國信息與芯片産業産生巨大影響。

此外,過度依賴國外工業軟件,既不利于我國工業技術的創新和積累,高端化轉型可能受阻。同時,工業軟件使用過程中産生的大量工業數據和商業信息還存在被竊取的風險。

解決我國工業軟件自主化問題已經到了迫在眉睫的時刻。

那時,他們有了初步想法。

時間到了2005年,複旦大學專用集成電路與系統國家重點實驗室曾璇教授給陳志明和張林波提出了一個難題:如何高效高精度進行互連線寄生參數提取,是芯片設計軟件(EDA)的瓶頸問題,“最好有一個可實用的工具,純粹的程序員需要花大量時間和精力去學習理解數學文章中的算法,甚至還無法抓住算法本質。”

事实上,当时芯片设计软件并未得到十分重视。当年,國家973計劃項目“高性能科學計算研究”啓動,陳志明擔任首席科學家,張林波擔任“大規模並行計算研究”課題組長,開始專注芯片設計仿真等領域的並行自適應有限元程序的研制。

“這是一個非常有挑戰的事情。”崔濤坦承,他當時作爲張林波的博士生參與平台研制工作,“困難在于,如何讓計算程序支持可擴展的非結構協調網格局部自適應加密、支持國産計算機體系結構和支持多樣的有限元計算”。

經過反複交流思考,他們找到了突破口——用于支持互連線寄生電感參數求解和變壓器仿真等典型電磁場計算問題的自適應有限元算法研究及應用軟件研制。

2010年,基于PHG開發的寄生電感參數提取工具包成功在當年世界最快的超級計算機“天河一號”上完成了十億自由度、數萬核規模的大規模並行自適應計算試驗,這堅定了他們繼續發展並行自適應有限元軟件開發平台並拓展其應用範圍的信心,曾璇教授給陳志明和張林波提出的難題成功解決。

“這是一個從應用需求出發,到數學模型、數值方法開發,最後變爲工具軟件的全鏈條研究。”陳志明說。

如今,PHG平台作爲我國完全自主知識産權且唯一支持國産超級計算機的三維並行自適應有限元軟件平台,具備支撐面向萬億至十億億次級超級計算機的並行有限元應用程序開發的能力,迄今陸續被多個企業和應用領域的研究團隊使用,支撐工程力學計算、冰川模擬、生物計算等重要應用需求問題的高性能計算。

挑戰難題的初心

挑戰科學與工程中的重大計算難題,始終流淌在科學與工程計算國家重點實驗室的血脈之中。

這是實驗室的創始人、中國計算數學的奠基人和開拓者、中國科學院院士馮康,在實驗室成立之初便定下的。

看到國際科學計算的發展勢頭和重要意義,1986422日,馮康等學者聯名向國家領導人上表“緊急建議”,使得科學計算在國家科學規劃中獲得應有位置。隨後的1990年,馮康再次推動且牽頭籌建“科學與工程計算國家重點實驗室”,1995年,實驗室作爲首批國家重點實驗室通過驗收並投入正式運行。

迄今爲止,該實驗室是數學領域唯一的國家重點實驗室。

既然是“唯一”,就一定要發揮“引領”作用,帶領走向世界“最強”,這是實驗室的使命。

從國家首批“攀登計劃”項目,到連續3次國家“973計劃項目”、國家重點研發計劃等國家重大科技任務,凡是與科學與工程計算相關的項目,均由實驗室牽頭,取得了包括有限元方法及其數學理論、哈密爾頓系統保結構算法和自然邊界歸化方法等在內的多項重大原創性成果。通過組織這些國家科學計劃,實驗室凝聚了全國相關優勢力量,促進科學與工程計算的學科發展、人才培養、重大成果産出等,推動中國科學計算步入世界領先。

承襲先賢步伐,實驗室面向科學與工程中的重大計算問題,進行基礎性和關鍵性的算法創新、理論創新和技術創新,研制反映國際科學計算最新成果的高性能科學計算軟件,凝聚了有限元方法,最優化與數值代數,複雜系統的電磁和流動問題的計算,動力系統保結構算法,材料物性的多物理多尺度計算,計算幾何與圖像處理,生物分子模擬與計算,高性能科學計算軟件平台等方向。

近年来,戴彧虹研究員在连续优化、整数规划与应用优化,戴小英研究員在发展误差可控的电子结构计算的方法与理论,刘歆研究員在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,明平兵研究員在缺陷固体宏微观模型的数学理论,许志强研究員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、实验室學術委員會主任袁亚湘告诉《中国科学报》。

但他認爲還不夠,科技發展進入激烈競爭時代,工業軟件成爲制約我國工業科技發展的重要“卡脖子”問題,直面國家重大需求,更多年輕人應在其中發揮更大作用,“工業軟件的核心是先進數學算法,科學與工程計算一直是國際上的研究熱點,處于國際科技競爭的核心。實驗室作爲一支專門從事科學計算基礎研究的國家戰略研究力量,應爲我國自主工業軟件發展提供核心算法和基礎理論方面的有力支持。”

人才成長的耐心

今年56日,实验室研究員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員,留下工作至今已近20年。從初窺門徑,獨立科研,到成爲研究方向的一位學術帶頭人,實驗室培養且見證了鄭偉英成長的每一步。

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,对他从博士畢業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,不只是發表幾篇文章就行了。”鄭偉英有切身感受,年輕人加入到高水平科研團隊,有利于擴大科研視野,提高學術品位。“尤其是做計算數學研究,選擇研究方向既要符合國家需求、‘有用’,又要有科學意義,年輕人在科研生涯初期能得到大科學家的指點和引領是非常重要的。”

博士後結束大約一年後的某天,陳志明與鄭偉英聊天時說:“你以後要自己獨立做研究,培養獨立發現問題和解決問題的能力,減少與我的合作,否則不利于你的成長。”這令當時的鄭偉英感覺“忐忑不安”,“就像一直生活在一個大家庭裏,突然有一天要外出打拼,‘自立門戶’的時候,便對‘前途’有些茫然。”

後來不久,經陳志明“牽線”,鄭偉英與保定天威集團合作,開始自己主導變壓器的可計算建模和數值模擬研究,研究成果慢慢得到同行認可,相關學術論文也在本領域的國際頂尖雜志發表。踐行了科學研究既有用、又有科學意義的初衷。“自己內心也有一種‘長大了’的感覺。”

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“冯康首席研究員”。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。

重視優秀青年人才,事關實驗室和整個學科的生存和發展。如今,實驗室培養起來的多位優秀青年人才已在國際舞台上紛紛嶄露頭角。當年,馮康先生“重視人才培養”的意願在實驗室得以赓續傳承。

作爲馮康的研究生,袁亞湘對青年人才的培養有著更爲深刻的體會。

38年前,馮康對當時即將出國的博士生袁亞湘說,“如果選擇出國,你就別學有限元,你學有限元就別出國。你應該轉攻非線性優化。”

有限元爲馮康獨創,若袁亞湘繼續研究,必將其發揚光大。而非線性優化在當時是一門新興學科,我國與世界先進水平有較大差距。

那幾句話,至今令袁亞湘每每想起,仍感觸良多。“馮先生是一個真正的科學家,其實他把學生都放在自己門下,學自己東西,更有利于‘壯大勢力’。但馮先生是從中國數學發展大局考慮,希望能爲國內的數學弱項培養人才。”

如今,袁亞湘逐漸成了青年科研人員的“前輩”,他十分關心包括實驗室年輕人在內所有青年科研工作者的成長道路,努力幫助他們營造紮根學術、潛心研究重大問題和原創性科學問題良好環境,還在社會和各種場合極力爲青年人呼籲。

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,多位研究員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。

“我們的目標是培養領軍科學家。”袁亞湘說,像馮康先生一樣,有著創新獨立自主,有著敢拼不信邪的信念,真正勇于獻身于科學的人才。

服務國家的決心

作爲“國家隊”“國家人”,必須心系“國家事”,肩扛“國家責”,這是國家戰略科技力量的初心使命。

在實現高水平科技自立自強的背景下,面對激烈的國際競爭,從航天航空飛行器設計、地震預測天氣預報,到能源勘探、水利水電工程,再到量子計算、芯片設計和基因研究等各個領域,國民經濟發展和國防建設對科學計算軟件的需求將越發迫切。

科學與工程計算國家重點實驗室雖以基礎理論研究爲主,但他們正努力推動研究成果“落地”。

实验室通过与应用部门合作以达精准应用。戴彧虹研究員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;卢本卓研究員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;郑伟英研究員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;张晨松副研究員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的解法模塊,大幅提高了求解效率,並與北京軟能創科技有限公司合作,開發頁岩氣數值模擬的解法模塊,應用于十三五國家重大科技專項課題,獲中國工業與應用數學學會(CSIAM)首屆應用數學落地成果認證。

“未來充滿機遇和挑戰。”在實驗室現任主任張林波看來,“應有更多人、更大規模投入科學與工程計算事業,從基礎理論分析、計算方法的構造,到算法實現和軟件開發,在國家重大科學計算的原創性問題上做出更大貢獻。”

從簡單到複雜、從低維到高維,物質世界愈發豐富,高性能計算愈不可或缺,而要想占據制高點,必須在數學上有突破。

“因爲數學抽象,所以更有普遍價值,在國家創新體系中的獨特作用也不言而喻。我們就是要把其中所涉及到最困難的問題‘扛起來’。”陳志明說。


嚴加安院士爲集群系統題詞,左起:鄭偉英、周愛輝、袁亞湘、嚴加安、張林波、崔濤、劉歆


袁亞湘(右)與劉歆討論


張林波主任


陳志明(右)、鄭偉英(左)和崔濤



LSSC-IV科學計算集群系統




中國首套萬億次集群


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