漫谈科学家的“计算焦虑”

作者:网站采编
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摘要：5月30日是第5个“全国科技工作者日”。在这个向科学家致敬的日子，钱学森、邓稼先、吴文俊、袁隆平、黄旭华等许多老一辈科学家在这天成为人们“追星”的对象。 人们总是要问：

5月30日是第5个“全国科技工作者日”。在这个向科学家致敬的日子，钱学森、邓稼先、吴文俊、袁隆平、黄旭华等许多老一辈科学家在这天成为人们“追星”的对象。

人们总是要问：在那个一穷二白的年代，他们是怎样做到的？

尤其是，那个没有电子计算机的年代，他们是怎么运算、模拟、设计的？用算盘吗？

还真是。

从算盘到超算

“中国核潜艇之父”、中国工程院院士黄旭华至今仍珍藏着的一把“前进”牌算盘。许多人可能想象不到，中国的第一代核潜艇，是用算盘和计算尺一点点算出来的。

中国核潜艇的另外一位“拓荒牛”、近日被中宣部追授“时代楷模”称号的彭士禄院士，也曾回忆说：“那时没有电脑，仅有一台手摇计算机，大家就拉计算尺、打算盘，那么多的数据都是靠这些工具没日没夜地算出来的。”

那时的中国，一穷二白。尽管如此，仅靠算盘、计算尺，加上一台手摇计算机，彭士禄、黄旭华和科研人员计算了十余万组数据，成功确定了100多个参数。

有时为了保证数据准确，常常是算盘、计算尺两组一起算，直到结果一致。最终，他们完成了潜艇核动力装置的基本设计方案。

那把算盘，曾陪伴黄旭华度过无数个日日夜夜。

一代艇如此，“两弹一星”研制早期也如此。在“两弹一星”精神主题展上，就曾展出过一把“两弹一星”元勋邓稼先使用过的飞鱼牌手摇计算机。

为两弹一星研制做出过卓越贡献的“飞鱼牌”手摇计算机，图片来源：中科院 计算所

据说，当年苏联专家撤离时，给我国科学家们留下了一个原子弹研发的关键数据，但这个数据却与我国科学家计算的结果不一致。“两弹一星”元勋邓稼先和同事们就靠着这一台台手摇计算机，花了一年多的时间算出了正确的数据，最终成功研发出我国第一颗原子弹。

说起计算机，我国著名流体力学家、中科院院士童秉纲曾有一段难忘的回忆。

他记得，1972年他被派去沈阳一个航空工厂的设计科，从事空气动力学方面的研究。当时，沈阳工厂引进了一台计算机，但这台计算机运行非常不稳定，经常一不小心几个小时的运算数据就全毁了。

童秉纲只能安排在后半夜上机，出于对运算的担心，他常常后半夜不能睡觉。长期超负荷工作损耗着他的身体，以至于走起路来头重脚轻。

后来，随着我国计算机事业的起步、发展和腾飞，科技工作者逐步用上了国产的计算机和超级计算机。从“功勋机”109丙机到100系列，从银河-I巨型机到“曙光一号”，再从“曙光1000”到“神威·太湖之光”，我国逐渐治好了“计算机焦虑症”。

我国1974年设计的DJS-130机，图片来源：清华大学

"僧多粥少"的计算焦虑

但科技工作者们的“计算焦虑”还没有治好。

很多人没有接触过超算，误以为使用超算和个人电脑一样，这显然不对。

以最常见的材料计算为例，研究人员为了获得某特性的合金材料（比如要满足某航空器要求），首先需要对材料建模，然后将模型（比如使用Fortran和vasp）写成代码、程序发给超算。得到计算结果后，如果材料特性不合格，就要调整模型、改代码重新计算，如此往复，直至得到满足要求的材料模型。整个过程难免需要多次计算，而拿到成功模型却在试制样品时得不到合格材料也是常有的事儿，这样一来，还要再去重复上述步骤。

虽然过程曲折艰辛，但如果没有超算直接制样试验，找到合格配方的合金材料没个几十年是难以成功的——超算模拟计算已极大加速了这一过程。

材料计算还只是应用超算的一种，汽车工业、高端制造、生物信息、药物研发、气候模拟、海洋环境、能源勘探、航空航天……这些领域向前进的每一步，都离不开超算。再加上近几年大数据分析和机器学习等人工智能应用逐渐成为超级计算机的主要负载，“全球的算力需求每三个半月翻一倍”虽稍显夸张，但也反映了问题。

需要科学计算的人数也在不断增加。2019年7月，国家统计局发布的《新中国成立70周年经济社会发展成就报告》显示，2018年，我国按折合全时工作量计算的全国研发人员总量为419万人年，是1991年的6.2倍。

国家统计局2019年7月发布数据，新华社制图

在计算机仿真和大数据计算越来越取代实验成为主流科学研究范式的今天，“僧多粥少”的超算必须以更高效的方式传递到用超算的人手中。

文章来源：《计算机产品与流通》 网址: http://www.jsjcpylt.cn/zonghexinwen/2021/0613/1553.html

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