高性能計算之源起——科學計算的應用現狀及發展思考

基礎科學之高能物理

現狀

高能物理的研究對象是物質世界的基本結構及基本相互作用。量子色動力學（QCD）和電弱統一理論（EW）通稱為粒子物理的標準模型，是目前高能物理研究的基本理論體系。高能物理的前沿重要課題有強相互作用中的夸克禁閉、標準模型精確檢驗和超出標準模型的新物理的尋找；與之相關的重大物理問題有強子結構和強相互作用低能特性、宇宙早期演化、中微子性質和中微子質量起源、暗物質和暗能量等。

高性能計算在高能物理中發揮著日益重要的作用，應用范圍包括海量的高能物理實驗數據的分析（數據密集型）、對撞機和探測器的計算機模擬輔助設計（計算密集型），以及以格點量子色動力學（格點QCD）為代表的高能物理理論計算（計算密集型）。隨著計算機技術的發展，高能物理中的高性能計算已經成為與傳統的高能物理實驗、理論研究并列的第三大分支；其中格點QCD以其高強度、高可擴展性、高并行效率等特點，長期成為高性能科學計算的主要應用領域之一。曾于1988年、1998年和2006年3次獲得“戈登·貝爾”獎，2018年也入圍了該獎項的候選名單。

歐、美、日等發達國家和地區歷來十分重視格點QCD研究并保持在該領域的領先地位。目前，美國格點QCD研究每年消耗的計算資源為幾百兆CPU核小時，預計到2025年將達到目前的幾十至一百倍。格點QCD已被美國列為其未來E級計算機的重點應用之一，并組織研究隊伍在物理課題、算法研究和程序開發等方面開展研究。

我國的格點QCD研究也有長期積累，目前正在組織相關團隊基于國內的超級計算系統調試和開發格點QCD的應用軟件，期望在未來參與到該領域E計算應用發展中。

對領域應用的促進

格點QCD的研究手段是進行大規模的Monte Carlo數值模擬研究，屬于典型的高性能科學計算領域。其對于高能物理中的重大科學問題研究有不可替代的作用，直接服務于未來高能物理的重大物理發現。在標準模型精確檢驗和超出標準模型新物理尋找方面，格點QCD可以提供標準模型基本參數（如夸克質量、強耦合常數等）的最精確的理論結果；可以從第一性原理提供對新物理敏感的強子矩陣元的精確、可靠的理論輸入。在夸克禁閉等強相互作用低能特性方面，格點QCD可以對新型強子態、強子－強子相互作用以及強子結構等問題給出模型無關的物理結果。

格點QCD研究成果的物理意義和國際地位直接決定于對統計誤差和各種系統誤差的控制水平，而誤差大小直接決定于計算規模和計算資源。格點QCD的系統誤差主要來自四維時空格點體系的物理大小、格點細密程度以及夸克質量參數的選取。目前國際上格點QCD研究的最大的格點體系大小為1283×256，計算規模大約十萬或數十萬核；如果未來規模提高到2563×512，則計算規模將增大到數百萬核，必須使用E級計算。正所謂“計算決定未來”，計算能力和資源對高能物理未來的重要發現和理論突破的意義是不言而喻的。

發展趨勢

美國面向格點QCD研究的未來E級計算應用早已開始布局，國產高性能計算系統將為我國的格點QCD研究直接參與國際競爭提供十分重要的計算支撐。北京正負電子對撞機和北京譜儀（BEPCII／BESIII）是國際上工作在粲夸克能區獨一無二的高亮度的實驗裝置。在輕強子性質研究，尤其是在新型強子態（如膠球、混雜態和XYZ粒子）研究方面有潛在的重大物理發現，但需要理論研究的支持，其中格點QCD的研究必不可少。

我國格點QCD研究將基于國產高性能計算系統開展與BESIII物理密切相關的研究，為實驗研究提供精確可靠的物理判據，以期產生重要物理成果。核子（質子和中子）是宇宙可見物質的主要組成，但我們對其結構并不十分清楚，我國籌建的中國高能電子－離子對撞機（EicC）和美國的高能電子－離子對撞機（EIC）及JLab的重要目標之一是研究核子結構。中國的格點QCD研究將針對核子質量、自旋核子三維結構以及對新物理敏感的強子矩陣元進行具有原創性的科學研究。同時，通過大規模的科學計算實踐，我國科學家可為格點QCD研究的計算方案、算法和軟件作出貢獻。