（文/Andrew Myers) 預(yù)測超音速噴氣機引擎產(chǎn)生的噪聲是一個復(fù)雜的流體動力學(xué)問題。日前，斯坦福大學(xué)湍流研究中心(CTR)的研究人員在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)里，用一臺基于Bluegene/Q架構(gòu)的IBM Sequoia百萬核芯計算機成功解決了這個問題，與此同時，他們也創(chuàng)下了一項計算機科學(xué)界的新紀(jì)錄：首次突破了超級計算的“百萬核瓶頸”。

研究人員本次使用的IBM Sequoia超級計算機曾一度問鼎全球超級計算機排行榜，它基于BlueGene/Q架構(gòu)，擁有多達1572864個計算核芯（處理器）和1.6PB（1PB=1024TB）的內(nèi)存，處理器與內(nèi)存之間通過一個高速五維環(huán)面互連。

CTR的助理研究員約瑟夫·尼科爾斯(Joseph Nichols)有幸能利用Sequoia進行工作，這一次，尼科爾斯證實了百萬核芯級別的流體動力學(xué)仿真計算是可行的，人們也能夠利用它設(shè)計出更安靜的飛機發(fā)動機。

為什么要進行這樣的仿真？

高性能飛機的排氣通風(fēng)裝置是最強的人造噪聲源之一，當(dāng)飛機在起飛和降落時其威力尤為驚人。對于地面工作人員來說，哪怕是戴著最先進的聽力保護設(shè)備，也難逃其衍生的危險環(huán)境；而對于機場周邊的居民來說，這樣的噪聲擾亂日常生活事小，拉低了房產(chǎn)價值則是大事。由此便不難理解工程師們?yōu)槭裁聪胍O(shè)計出更安靜的飛機引擎，并進行這樣的仿真工作了。

有一種思路是改變排氣口的形狀，從源頭上減少噪聲，也就能生產(chǎn)出更安靜的飛機。然而排氣通風(fēng)裝置所處的極端環(huán)境顯然不滿足實驗設(shè)備的工作條件，更別說讓科學(xué)家仔細研究測量其中的具體進程了。作為一種先進的計算機模型，復(fù)雜的預(yù)先仿真在這樣的設(shè)計活動中就派上了用場。從這些仿真中獲得的數(shù)據(jù)既推動著以計算為基礎(chǔ)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也推動著研究人員發(fā)現(xiàn)噪聲的物理性質(zhì)。

上圖是噴氣機噪聲仿真中的圖片之一，左邊的灰色物體即為一種新設(shè)計的引擎排氣口，橙紅色部分代指排氣溫度，藍綠色部分代指聲場。排氣口邊緣呈V形可以加強湍流的混合，從而減少噪音。圖片來源：斯坦福大學(xué)湍流研究中心

核越多，挑戰(zhàn)越大

“計算流體動力學(xué)(CFD)的仿真，比如尼科爾斯所做的工作，是極其復(fù)雜的。直到最近，伴隨著擁有百萬核芯的超級計算機的到來，工程師們才能夠快速而準(zhǔn)確地制作出噴氣式飛機引擎的模型，并對它們產(chǎn)生的噪聲進行仿真”，CTR的主管帕爾維茲·莫恩(Parviz Moin)說道。

CFD仿真可以全面地測試一臺超級計算機的性能。在仿真過程中傳播的光波，需要計算性能、內(nèi)存和通信能力的完美平衡，就像一個精心配合的交響樂團一樣。像Sequoia這樣的超級計算機可以將復(fù)雜的計算分為更小的部分，從而能實現(xiàn)各部分的同時運算。擁有的計算核芯越多，計算的速度和能承受的復(fù)雜度越高。

但千萬不能認為運算從此就變得簡單了，事實上，拋開額外需求的計算功率不說，越來越多的計算核芯反而讓運算變得更具挑戰(zhàn)。在百萬核芯級別下，程序代碼中原本無傷大雅的細微部分也會瞬間成為制約計算的瓶頸。

突破瓶頸

在過去的幾周里，斯坦福的研究人員和LLNL的計算機技術(shù)人員一直在共同致力于解決上面所說的這些小問題。上周，他們?nèi)找咕o盯著終端在第一次全系統(tǒng)規(guī)模仿真時的表現(xiàn)，來看看首次運行能否達到穩(wěn)定的運行性能。當(dāng)?shù)谝淮蜟FD仿真的初始化通過時，他們已經(jīng)難掩心中急切，等到代碼性能不斷提高并超越重要的百萬核芯閾值，再加上計算時間有了堪稱“戲劇性”的縮短，他們的激動心情早已溢于言表了。

“這幾次運行的計算能力比CTR之前做過的規(guī)模最大的仿真還要強，至少是一個數(shù)量級的提升”，尼科爾斯說，“這對仿真技術(shù)的影響是令人難以置信的。”

“回歸” 

從各方面來看，這次的仿真實驗對于尼科爾斯都堪稱一次“回歸”。早在1994年，當(dāng)時還是高中生的他在勞倫斯·利弗莫爾計算設(shè)備中心參加了一個暑期項目，這個項目為期兩周，由美國能源部贊助。年輕的尼科爾斯當(dāng)時在一臺Cray Y-MP型計算機上工作，那也是彼時最強大的超級計算機之一。從那時起，他就立下了深入研究超級計算機的決心。

“Sequoia大約比Cray Y-MP強大一千萬倍”，尼科爾斯說。

這次實驗同樣也是斯坦福大學(xué)的一次回歸，而且是更深層次的回歸。在此次研究中用到的計算機代碼被稱為CharLES，是由斯坦福前高級研究助理弗蘭克·漢姆(Frank Ham)開發(fā)的，該代碼利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來模擬復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中存在的湍流。

除了進行噴氣式飛機噪聲的仿真，CharLES代碼還被斯坦福的研究人員用于研究高超音速飛行的超燃沖壓發(fā)動機推進系統(tǒng)（這是一個前沿概念，意指以多倍于音速的速度飛行），也被用來仿真整個飛機機翼上的湍流。而這些同樣是一個由美國能源部贊助的項目，名為仿真科學(xué)學(xué)院聯(lián)盟計劃(PSAAP)。

文章編譯自：Stanford University STANFORD RESEARCHERS BREAK MILLION-CORE SUPERCOMPUTER BARRIER