探秘天河二号：“算”出万吨轮船船型
在国家超级计算广州中心（以下简称“超算中心”）四楼的小会议室，超算中心工程师张曦挥动激光笔，正在讲解一艘载重量为40000吨的化学品运输船船型的模拟计算结果。投影屏幕上显示着化学品运输船的3D模型，以及它在不同条件下的受力情况分析，包括压力、速度的变化等。页面切换，张曦还介绍了使用不同软件对船型进行模拟计算的异同和优劣。
这是广船国际有限公司（以下简称“广船国际”）交给超算中心计算的第一个船型，广船国际副总工程师陈灏和他带领的技术团队在一旁观看，时不时和张曦以及超算中心主任袁学锋交换意见。
普通人关心的是“天河二号”亮眼的每秒运算速度，对于老牌船厂来说，每日面对国际船舶业的竞争，能够缩短产品研发周期、加快上市速度是企业在激烈竞争中获胜的不二法门。
对于“天河二号”来说，这是它最擅长的事。目前，“天河二号”已为676位来自世界各地的客户服务，其中有近1/3的客户来自广东。它正在成为珠三角产业升级的“发动机”和“倍增器”。 南方日报记者 黄祖健 陈思勤
1.“算”出性价比最高的船型
“天河二号”的“全数字设计与制造应用服务平台”基于模拟仿真的数字化技术，可以有效预测产品在真实世界的性能，优化产品设计制造，缩短产品研发周期，实现投资的最大价值
这艘载重量为40000吨的化学品运输船全长为183米，宽度为31米，吃水9.5米，是今年广船国际的主打产品之一。
陈灏告诉记者，船的经济性是最重要的指标，也是船厂的核心竞争力。生产一艘船，想在市场上卖得出去，经济性就一定要够好。起码要胜过韩国、日本的船厂。“一艘受市场欢迎的船舶，是通过船的水动力性能来体现。也就是说，要通过优化船型设计，让船舶载重量最高，而且在航行时，阻力更小，稳定性更强，耗能更低，用得更久。”
广船国际希望能够通过超算模拟不同船型在水中的航行数据，获取和对比各项参数，以确定最优的船型进行生产。陈灏介绍，越靠近船体的空间范围，模拟计算的精度要求越高。“船的运行并不是静态的，就算外界环境静止，螺旋桨周围也会形成涡流，对船身也会造成影响。加上流动的水和空气，运算量就更大了。”陈灏说。
广船国际将船型的基本数据提交到超算中心之后，张曦运用自己的专业知识对船型进行重新建模，导入到系统中就可以开始运算了。他告诉记者，通过微调船型各项参数，计算其受力的变化情况，可以确定最优方案。
在用超算模拟船型受力时，会将船身周围的环境切分为单元网格来模拟，切分的网格越密集，运算量就越大。在听取张曦讲解时，陈灏提到，上百万的网格就已经让普通电脑卡机了。
然而袁学锋一句话就打消了陈灏的顾虑：“几百万不算什么，就算是上千万都没问题。这台超算可是有几万万亿次每秒的计算能力！”“天河二号”的浮点运算速度为每秒33.86千万亿次，全球第一。
其实，广船国际之前在上海和荷兰都做过超算模拟。荷兰的机构专门从事船体优化，有多年专业经验，算法成熟，但是其超算的性能并不算强。“和‘天河二号’相比，可能就像一个小孩子和拳击手的对决。”陈灏说。
“如果是传统的方法，就需要根据不同的船型来做不同的实验，周期很长，成本也很高。用超算来模拟的话，一次可以模拟多种船型的受力情况，比如，10个船型只要1—2个小时就能得出结果了。”张曦说。
袁学锋认为，目前世界上酝酿着第三次产业革命，其核心内容就是如何把信息技术的大数据向制造业、实体经济辐射。所以如何利用大数据将信息技术转化为生产力，是超算中心在应用方面的核心内容，这也是衡量一个国家创新型经济竞争能力的核心内容。
据介绍，“天河二号”拥有六大服务平台，其中一个是“装备的全数字设计与制造应用服务平台”。“该平台基于模拟仿真的数字化技术可以有效预测产品在真实世界的性能，优化产品设计制造，缩短产品研发周期，实现投资的最大价值。”袁学锋表示。
2.“解”出船舶制造业的难题
一些环境影响要用计算机进行模拟，对于软、硬件都有很高的要求。然而，普通计算机无法胜任的工作，超算的强悍性能可以保证任务完成
一般来说，船舶在获得试航资格之前，工程师会对其进行1—2年的研究，进行设计优化。优化好了之后，要进行下水试验以确定其性能合格。在试验过程中，工程师还会不断优化船舶的制造工艺。
在这样漫长繁复的生产制造过程中，造船行业有很多困扰。陈灏坦言，目前设计理论已经很成熟，但是一般的计算设备性能不足，很多问题都解决不了。比如调整设计时出现的一些随机现象，发生的详细原因就很难解释。“以前做试验，发现螺旋桨转速不稳定，我们知道是船型有问题，但是具体问题产生在哪个位置，就不知道了”。
过去通过反复的试验，技术人员能够对一些现象作出比较笼统的解答。但随着市场对产品质量要求的提高，一点点瑕疵都会导致竞争上的失败。
“以前技术水平低，保证船舶在静水中能够良好运行就够了。但实际上，大海茫茫，无风三尺浪，在波浪冲击的条件下船的运行状况会如何，是一个很复杂的问题。”陈灏告诉记者，自然界中的波浪在试验室里很难模拟，随机性太强，很难通过试验来完全验证。
以极地运输船为例，陈灏表示，轮船在前往极地的过程中并不是简单地从水里过或者把冰破开。破冰的时候，冰由于形成的过程不同，物理属性也不太一样，对船体会有不同的影响。这些环境影响要用计算机进行模拟，对于软、硬件都有很高的要求。然而，普通计算机无法胜任的工作，超算的强悍性能可以保证任务完成。
“广船国际希望借助超算这样的先进技术手段，从更小的细节上寻找问题，优化每一个小的细节，来提升轮船的经济性。”陈灏透露。
袁学锋透露，超算中心计划通过广船国际的案例，吸引上海交大、浙大等合作单位的技术人才，让更多人一起使用超算平台。在他看来，通过互联网的协同设计和协同科研，能够更好地发挥超算平台的作用。
3.“转”出市场先机
订单多也有烦恼。要按传统设计、生产方法，时间非常紧迫。但现在超算可以帮助加快设计试验阶段的进度，抢占时间，就是抢占市场先机
在刚刚过去的2015年，广船国际与瑞典STENA公司签署的3+2艘5万吨化学品/成品油船后续建造合同生效，与TORM公司成功签署4+4+2艘油船订单、与南京油运公司签署的2艘5万吨选择船合同生效……临近年末，这一系列的订单生效，为广船国际的船舶经营工作画上了一个完美的句号。据统计，截至2015年12月9日，广船国际手持民船及海工产品订单66艘、约680万载重吨，超额完成全年经营任务。
陈灏告诉记者，去年很多船厂都因为订单量不足而破产，还有很多船厂出现了订单下滑的情况，但广船国际仍能交出一份令人满意的成绩单。据了解，目前广船手握订单70多艘，其中油轮超过50艘，订单已经排到2018年上半年。
“订单多也有烦恼。要按传统设计、生产方法，时间非常紧迫。但现在超算可以帮助我们加快设计试验阶段的进度，抢占时间，就是抢占市场先机。”陈灏透露，听说广汽研究院在超级计算机的帮助下，某个原来需要两至三年的新车型设计，缩短到5个月完成，并可模拟实现优化设计、防撞性能测试等，大大节约了成本。
会议结束之后，张曦还要和广船国际的工程师获取更新的数据，修正计算结果。
虽然这只是双方第一次正式的技术交流会，但其实在接到广船国际这个项目后，张曦和广船国际的工程师频繁互动，随时沟通工作进展。“可以说是大家一起算出来的一个船型。”广船国际海工技术部研发室高级工程师汪建华告诉记者。
以“天河二号”的性能，同时计算10个船型，只需要1小时左右。但其实，或许还能更快。袁学锋告诉记者，目前“天河二号”还处在建设期和研制阶段，有一部分在提供服务，有一部分还在建设和调整。“‘天河二号’当前开发可用的资源有70%左右，未来还有无限的空间。”（原标题：探秘超算，万吨轮船“算”出来）
■链接 “天河二号”的超能“护卫队”
“天河二号”超级计算机。资料图片
在例行确认“天河二号”各项参数准确无误后，国家超级计算广州中心应用部工程师陈璟锟开始处理来自世界各地客户的技术方案。陈璟锟看起来并不善于交流，但一聊起“天河二号”，就似遇见多年的好友，滔滔不绝。
去年底，新一期全球超级计算机500强榜单在美国公布，中国“天河二号”超级计算机连续第六度称雄。
“天河二号”六度夺冠的背后是越来越多像陈璟锟一样的年轻人，日复一日地为超级大脑保驾护航。目前，超算中心已构建起材料科学与工程计算、生物计算与个性化医疗、智慧城市大数据和云计算等6大应用服务平台。共有48名工作人员，其中技术人员有30名。
走进广州超算中心，一排排狭长的黑色机柜整齐地摆放在接近三个篮球场那么大的实验室中。陈璟锟告诉记者，“天河二号”由170个机柜组成，一共装有3.2万颗主CPU和4.8万个协处理器。虽然每排机柜彼此分开，但它们工作时是彼此相联的，其实是一台计算机。
计算速度快，存储量大，体积也非常大，这是记者看到超级计算机时最直观的感受。要保证“国之重器”的正常运行，首先需要保证水电不断。
“基本上我每天来到中心的第一件事就是检查系统是否正常。比如，能否正常登陆、资源有没有分配好等，保证整个机器的运行。”这是陈璟锟每天必做的事情。
点亮机柜上的触控屏，看了看各项参数，“今天的水温稍微有点高”。陈璟锟告诉记者，机柜负荷运行时，会散发出大量热量，广州超算中心采用的是“水冷”系统，这也是为何一进超算中心大门便感到凉快的原因。“8℃的水从水厂泵过来，经过超算中心内循环交换，出水21℃。”
陈璟锟还告诉记者，从目前“天河二号”来看，计算节点的能耗约为18兆瓦，再加上散热系统的整体能耗在20兆瓦以上。如果正常运行，年耗电量约为2亿度。每个星期电费大约在80万元左右。
据了解，超算中心不仅有固定的运维人员保证“天河二号”平稳运行，同时，无论供电、供水都是“特别配置”。为了保障机器不因断电而数据丢失，南方电网为超算中心建设了两路独立并互为备份的电源。在供水方面，广州市政府在距离超算中心3公里以外建了一个冷水厂，专门供中心使用。
由于超级计算机的基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，所以很多人会误以为超级计算机就是简单的cpu叠加。但这是一个认识误区。
袁学锋打了个比方：你用1000台PC，用普通的网线把它们连接在一起，你可能花了1万度电，算了10天，但是你用真正的超级计算机，可能只用5000度电，花了两天就算出来了。
“超级计算机就好比算盘，如果没有口诀，它就毫无用处。”国家超级计算机广州中心应用部工程师钟康游解释道。对于超级计算机而言，要让它真正运行起来，也需要各种口诀，但这些口诀更庞大、更复杂。目前科学界把这个算法称为超级算法理论。
超算中心的工程师们，每天花大量的时间，在优化“口诀”，找出更高效率的计算方法，最大限度地充分利用超级计算机的计算能力。
“有些客户想要运行一些很庞大的程序，操作比较复杂，但客户往往还停留在‘双击’启动的操作习惯，就得由我们来优化‘口诀’，让操作更‘傻瓜’。”钟康游形象地说，简单来说优化“口诀”就是“木桶效应”原理。一个木桶能装多少水，取决于最短的一块板。而一个程序运行的速度，取决于跑得最慢的那个进程。“我们要做的就是通过一些小技巧，尽可能地使所有进程加快。优化后，原来需要11小时才能出的结果，现在只需3小时。”
袁学锋表示，目前，天河二号可以连续运行10小时无故障，稳定性全球第一。计算机运行过程中，最核心的是高速互联。可以想象成是几万台的PC联在一起做并行计算。而做并行计算的核心就是通讯，使大规模的系统能同步。因此我们要构架足够短的距离，使通讯速度足够快、稳定和可靠。