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“地球模拟器”是由日本宇宙开发事业团、日本原子能研究所以及海洋科学技术中心共同开发的矢量型超级计算机。“地球模拟器”通过在计算机内设置“虚拟地球”,以预测及解析整个地球的大气循环预测、温室化预测、地壳变动、地震发生等大规模计算为目的而开发,其原形是日本NEC公司的矢量型超级计算机“SX-5”。

“地球模拟器”是由640台用来进行演算处理的“计算节点”(机体的长和宽均为1?1.4米,高为2米)和65台用于连接计算结点的网络设备构成。每个计算结点上配备有8个最大为8吉 FLOPS(1吉FLOPS=1秒钟进行10亿次的浮点运算)的NEC产处理器和16GB的共享内存。计算结点和网络设备由通信速度为12.3GB/秒的网络连接,使用的电缆总长度达2800公里。整套设备共占用空间达3200平方米。“地球模拟器”的开发始于1999年。开发费用总计达400亿日元(约合人民币25亿元)。

速度模拟器一秒,计算器花3000万年

“如果把地球模拟器在1秒钟内完成的计算任务,交给一个人使用计算器来完成的话,需要花上3000万年。”自从2002年诞生以后,地球模拟器在全球超级计算机500强评比(TOP500)中,有两年半时间一直占据首位,此后才被“蓝色基因”等超越。

一座酷似体育馆的蛋形蓝底银色建筑,坐落在日本横滨市南部的金泽地区。

从外表看,这是一幢轻盈安静的房子。然而,如果你有机会从它底部隐蔽的入口走入这高达17米的建筑,会大吃一惊:计算机高速运转时发出的巨大轰鸣声震耳欲聋,运行时散发的热量夹杂着看不见的强大电磁辐射扑面而来,绿色和红色的指示灯在急速闪烁———这就是地球模拟器。

“地球模拟器的所有附加系统,如电源、冷却系统、人行道等都是可伸缩的,以缓冲地震带来的冲击”,地球模拟器中心负责人佐藤哲也告诉记者。68岁的佐藤哲也教授毕业于日本名校京都大学。这位兼收东西方科学之长的知名学者从2002年起担任日本海洋科学技术中心地球模拟器的负责人,“水晶球”的运算能力基本由他掌控。

记者通过一座空中走廊进入模拟器,那里“挖”出一间不到5平方米的小空间用于接待访客,参观者能隔着玻璃看到全部的5210台处理器。

一台台滚筒式洗衣机模样的蓝色柜子高达2米,与一组白色的高大柜子呈环形交错放置。前者安置的是处理器,后者则是硬盘。全部5120台处理器组成了矢量型并联超级计算机,一秒钟内可进行最高40万亿次的运算。为了实现超级运算能力,仅这台计算机使用的网络电缆就达约83000根,如果把电缆拉直的话,可以从北海道连到冲绳。

正是超强的计算能力使它拥有像水晶球一样的魔力。科学家可以通过数值模拟来预测无法进行实验的自然现象。果然,地球模拟器运转没多久,就预测巴西海岸可能出现热带风暴。2004年夏末,预言成真了。

精度比一般超级计算机精细1000倍

“区别在于,其它模拟研究机构依托的超级计算机系统中,地球立方体格子边长最小也只能为100公里。但在地球模拟器中,格子以10公里为单位,实现了比原来精细1000倍的高清晰度。从而使它可以进行全球范围的大气和海洋系统模拟运算,而不是仅仅限于局部地区。”

“很多国家的研究机构都在进行类似地球模拟器的研究,包括中国。”刚刚与地球模拟器合作完成论文的学者、美国夏威夷大学国际太平洋研究中心的研究员曲堂栋告诉记者,用一定的方程式控制各种参数来研究气候,这是模拟研究的基本方法。研究机构各自运用不同的模式,但这并不是它们和地球模拟器的主要区别。

“从理论上来说,地球模拟器只需运算3个小时,就可以预测5日内的全球天气。”佐藤哲也透露,“如果有必要,甚至可以精细到把某一地区分成1公里单位的格子来运算和预测”。

当然,地球模拟器的运行能力并不是如此随心所欲、而是经过精心分配的。在国际上,它与美国、欧洲甚至南非的一些国际研究机构展开各种合作研究。除此之外,地球模拟器自身的40名研究人员也分为3个项目小组,从事着被佐藤哲也称为“创新项目”的研究。

在如此众多的运算任务下,除了大约每3个月一次的维护检修,地球模拟器几乎是24小时不停运转,就像遍布全日本的便利店一样“年中无休”。它消耗的能源因此相当惊人,一年的电费就达5亿日元,损耗折旧的费用每年更是高达30亿日元。

全球各个不同的项目借助“现代水晶球”预测未来,灾难性预测随即纷纷出现:到2040年后,35℃以上的高温天气将就变成家常便饭;旧金山这样的著名城市也可能沉入海底……

当然,所有这些模拟灾难都基于同一个前提:即把百年后大气中二氧化碳的浓度,设定为每立方米700毫克。事实上,以现在全球各地排放二氧化碳的速度,到那时候浓度或许更高。

............................................................................. 日本的地球模拟器只能对地球天气的变化进行宏观的预测,并不是真正意义上的地球模拟器。但是这款模拟器代表了一个趋势,人类的科学研究依靠计算机的时代已为时不远。

现在也许每个电脑当中都会有一些高级的应用软件,如数控车床的控制系统会根据编辑的图纸对加工过程进行模拟,及预先观看具体产品的加工动作和过程。计算机之所以会这么做并能这么做是因为计算机当中有大量的数据,这些数据有各种各样的物理学、数学或者其他学科的各种公式,并以大型的智能软件为桥梁,把他们与处理器连接起来,根据步骤完成相应的计算,以图形的形式向我们展现出来。

天道系统是借助超级计算机系统组群建的拟真的地球物理环境系统,以按照真实情况模拟各种物理的化学等的现象,如实反映这个世界的本质,每一个物体,都用物理规则加以诠释,以数字地方式表现出来,每一个计算机组群所代表不同的物理规律和角色,模拟时,与每一个外来程序所相关的物理化学规律都会被自动调出来,根据所要模拟程序自身的状态进行计算,对结果状态进行调整,并实时对结果状态进行跟踪模拟。如果拥有海量的数据,可以利用这套系统对所有的已知现象进行模拟,如小到初中物理实验,大到导弹发射,利用这个系统配合其他的必要设施可以做各种飞行模拟器,这是本书中训练飞行员的主要方法,并能由虚拟的实战获得实战经验——此系统不是程序的反应,而是根据“虚拟实际变化”计算的结果。