地球模擬器

地球模擬器

地球模擬器(Earth Simulator)是2002年3月15日開始運作的矢量型超級計算機,1998年日本科學技術廳(2001年1月6日與文部省合併為文部科學省)投入1600億日元經費,日本原子能研究所(2005年10月1日與日本核燃料開發機構合併為日本原子能研究開發機構)、宇宙航空研究開發機構、海洋研究開發機構共同開發,機體設定於海洋研究開發機構橫濱研究所(位於日本神奈川縣橫濱市金澤區)內。

  • 中文名稱
    地球模擬器
  • 外文名稱
    Earth Simulator
  • 運作時間
    2002年3月15日開始運作
  • 簡介
    矢量型超級計算機

簡介

概況

"地球模擬器"是由日本宇宙開發事業團、日本原子能研究所以及海洋科學技術中心共同開發的矢量型超級電腦。"地球模擬器"通過在電腦內設定"虛擬地球",以預測及解析整個地球的大氣迴圈預測、溫室化預測、地殼變動、地震發生等大規模計算為目的而開發,其原形是日本NEC公司的矢量型超級電腦"SX-5"。 "地球模擬器"是由640台用來進行演算處理的"計算節點"(機體的長和寬均為1米1.4米,高為2米)和65台用于連線計算結點的網路設備構成。每個計算結點上配備有8個最大為8 GFLOPS(1GFLOPS=1秒鍾進行10億次的浮點運算)的NEC產處理器和16GB的共享記憶體。計算結點和網路設備由通信速度為12.3GB/秒的網路連線,使用的電纜總長度達2800公裏。整套設備共佔用空間達3200平方米。"地球模擬器"的開發始于1999年。開發費用總計達400億日元(約合人民幣25億元)

國際影響

2002年4月,"地球模擬器"在接受超級電腦的世界標準――"Linpack"的基準測試時,運算性能達到了35.61TFLOPS(1TFLOPS=1秒鍾進行1萬億次的浮點運算),是當時世界上最高性能的超級電腦。

由于其實際性能達到了此前世界最高性能的美國ASCI White超級電腦的5倍以上,因此美國媒體甚至將其稱為"Computenik"(新造辭彙,表示美國自1957年前蘇聯率先發射人造衛星以來受到的又一次重大沖擊)。

速度

速度模擬器一秒,電腦花3000萬年

"如果把地球模擬器在1秒鍾內完成的計算任務,交給一個人使用電腦來完成的話,需要花上3000萬年。"自從2002年誕生以後,地球模擬器在全球超級電腦500強評比(TOP500)中,有兩年半時間一直佔據首位,此後才被"藍色基因"等超越。

一座酷似體育館的蛋形藍底銀色建築,坐落在日本橫濱市南部的金澤地區。

從外表看,這是一幢輕盈安靜的房子。然而,如果你有機會從它底部隱蔽的入口走入這高達17米的建築,會大吃一驚:電腦高速運轉時發出的巨大轟鳴聲震耳欲聾,運行時散發的熱量夾雜著看不見的強大電磁輻射撲面而來,綠色和紅色的指示燈在急速閃爍---這就是地球模擬器。

"地球模擬器的所有附加系統,如電源、冷卻系統、人行道等都是可伸縮的,以緩沖地震帶來的沖擊",地球模擬器中心負責人佐藤哲也告訴記者。68歲的佐藤哲也教授畢業于日本名校京都大學。這位兼收東西方科學之長的知名學者從2002年起擔任日本海洋科學技術中心地球模擬器的負責人,"水晶球"的運算能力基本由他掌控。

記者通過一座空中走廊進入模擬器,那裏"挖"出一間不到5平方米的小空間用于接待訪客,參觀者能隔著玻璃看到全部的5210台處理器。

一台台滾筒式洗衣機模樣的藍色櫃子高達2米,與一組白色的高大櫃子呈環形交錯放置。前者安置的是處理器,後者則是硬碟。全部5120台處理器組成了矢量型並聯超級電腦,一秒鍾內可進行最高40萬億次的運算。為了實現超級運算能力,僅這台電腦使用的網路電纜就達約83000根,如果把電纜拉直的話,可以從北海道連到沖繩。

正是超強的計算能力使它擁有像水晶球一樣的魔力。科學家可以通過數值模擬來預測無法進行實驗的自然現象。果然,地球模擬器運轉沒多久,就預測巴西海岸可能出現熱帶風暴。2004年夏末,預言成真了。

精度

精度比一般超級電腦精細1000倍

"區別在于,其它模擬研究機構依托的超級電腦系統中,地球立方體格子邊長最小也隻能為100公裏。但在地球模擬器中,格子以10公裏為單位,實現了比原來精細1000倍的高清晰度。從而使它可以進行全球範圍的大氣和海洋系統模擬運算,而不是僅僅限于局部地區。"

"很多國家的研究機構都在進行類似地球模擬器的研究,包括中國。"剛剛與地球模擬器合作完成論文的學者、美國夏威夷大學國際太平洋研究中心的研究員曲堂棟告訴記者,用一定的方程式控製各種參數來研究氣候,這是模擬研究的基本方法。研究機構各自運用不同的模式,但這並不是它們和地球模擬器的主要區別。

"從理論上來說,地球模擬器隻需運算3個小時,就可以預測5日內的全球天氣。"佐藤哲也透露,"如果有必要,甚至可以精細到把某一地區分成1公裏單位的格子來運算和預測"。

當然,地球模擬器的運行能力並不是如此隨心所欲、而是經過精心分配的。在國際上,它與美國、歐洲甚至南非的一些國際研究機構展開各種合作研究。除此之外,地球模擬器自身的40名研究人員也分為3個項目小組,從事著被佐藤哲也稱為"創新項目"的研究。

在如此眾多的運算任務下,除了大約每3個月一次的維護檢修,地球模擬器幾乎是24小時不停運轉,就像遍布全日本的便利店一樣"年中無休"。它消耗的能源因此相當驚人,一年的電費就達5億日元,損耗折舊的費用每年更是高達30億日元。

全球各個不同的項目借助"現代水晶球"預測未來,災難性預測隨即紛紛出現:到2040年後,35℃以上的高溫天氣將就變成家常便飯;舊金山這樣的著名城市也可能沉入海底……

進度

進度加入變化因素預測最新結果

當然,所有這些模擬災難都基于同一個前提:即把百年後大氣中二氧化碳的濃度,設定為每立方米700毫克。事實上,以現在全球各地排放二氧化碳的速度,到那時候濃度或許更高。

"今年我們開展了最新的全球變暖項目的研究,嘗試把以前模式中沒有覆蓋的樹木砍伐等生態環境變化因素加進去。"佐藤哲也告訴記者,IPCC報告中百年後地球升溫的範圍是從1.1℃到6.4℃,表明學術界對此仍懷有不確定性,這5℃的差距正來源于不同研究模式的不同精細程度。不過作為地球模擬器的負責人,他對于地球的未來仍表示樂觀:因為如果人們能夠把二氧化碳的排放量控製在一定範圍內,這些驚人的災難仍有可能避免。但問題在于,我們總認為自己的微小舉動不足以改善氣候變暖的大環境,但卻忽略了"千裏之堤,潰于蟻穴"。隻有每個人都馬上開始提高環保與節能的意識,哪怕是少用一張紙巾,少開一天車……才有可能避開水晶球的魔咒。要知道,百年後地球是否將面臨氣候災難,取決于我們今天所做的一切,或許正取決于今天你是否節製了不必要的消費欲望。

升級

新華網東京2月27日電(記者錢錚)日本海洋研究開發機構的超級電腦"地球模擬器"成功完成升級,26日在橫濱面向媒體公開。 據當地媒體27日報道,原先的"地球模擬器"由640個計算節點連線而成,升級後的"地球模擬器"由于計算節點性能的提高,節點數量減少到160個,佔地面積也隻有原先的一 半,約為650平方米。新"地球模擬器"的計算能力為每秒131萬億次浮點運算,是舊機型的3.2倍,耗電量也降低了20%-30%。 日本電氣公司為海洋研究開發機構製造的"地球模擬器"從2002年6月開始,連續兩年半位居世界超級電腦性能排名第一。但在2008年11月的最新排名中,"地球模擬器"已跌至日本國內第五位,全球第73位。這次更換"心髒",使"地球模擬器"重新奪回了日本國內第一的寶座,世界排名估計也會大幅上升。新"地球模擬器"將可用于精確度更高的全球氣候變暖預測等研究。

最新預測

根據地球模擬器的預測,百年內全球平均氣溫將升高4.2攝氏度。2020年以後,地球上氣溫將常常高于35度,人類必須忍受熱浪的襲擊。2003年8月,巴黎遭受了罕見的熱浪襲擊,"醫院都癱瘓了,壓力大的難以想象,我們都不知道在治什麽病,患者一個接一個死去,簡直像一個戰場了。"來自巴黎聖·安托尼醫院死傷科裴魯克斯醫生如此說道。這次熱浪僅在法國就導致了一萬五千人死亡,整個歐洲有三萬人喪生。"地球模擬器"預告,因熱浪造成死亡的現象在全球將變得更加頻繁,50年後,日本東京因熱浪死亡的人數將增加2.5倍,100年後增加11倍,倫敦死亡增加47倍,紐約增加43倍。"熱帶地區死亡人數少,因為天天都一樣,但是東京,紐約,多倫多這些地區就不堪一擊了,那裏的人適應不了,城市結構房屋結構都不適合……"地球模擬器顯示,未來百年內大風暴將會經常發生,尤其在島嶼國家,比如東亞的日本列島,更是暴雨不斷,2096年的地球,南太平洋兩個大台風在向日本移動,強度變的越來越大,其中一個台風的強度有"卡特裏娜"那麽大,台風帶來了狂風暴雨,大量的雨水流向了已經漲滿的河流,河堤嚴重缺口,河水漲過百米長的缺口涌向城鎮,上萬公頃的土地頃刻被淹沒,與此同時,狂風猛烈襲擊內陸城市,風速超過每小時160公裏,陣風時速達到290公裏,許多房屋被摧毀,大量電線桿倒塌,造成大規模停電,到目前為止人類歷史上還沒有過如此大的暴風雨。2005年,被稱為美國歷史上最大的"卡特裏娜颶風"襲擊大西洋沿岸,海水被颶風吹向陸地,海平面比平時高出7米,強大的巨浪和海潮摧毀了被淹的城市,造成損失高達1300億美圓。"地球模擬器"的計算結果顯示:未來的北大西洋颶風將比"卡特裏娜"大的多,紐約市要準備應對強度為4級的大颶風,颶風首先從曼哈頓登入,在布魯克林大橋上的車被狂風吹翻了,狂風以215公裏的時速沖擊著摩天大樓,人們隻能躲進捷運站,可是很快整個城市就被水淹沒,海平面已經上升了9米,暴風潮把海水攪進了整個市區,各大捷運站很快就被海水淹沒了,連線曼哈頓和新澤西的荷蘭隧道,也被海水吞沒……

現代水晶球原理

日本的地球模擬器隻能對地球天氣的變化進行巨觀的預測,並不是真正意義上的地球模擬器。但是這款模擬器代表了一個趨勢,人類的科學研究依靠電腦的時代已為時不遠。 現在也許每個電腦當中都會有一些高級的套用軟體,如數控車床的控製系統會根據編輯的圖紙對加工過程進行模擬,及預先觀看具體產品的加工動作和過程。電腦之所以會這麽做並能這麽做是因為電腦當中有大量的資料,這些資料有各種各樣的物理學、數學或者其他學科的各種公式,並以大型的智慧型軟體為橋梁,把他們與處理器連線起來,根據步驟完成相應的計算,以圖形的形式向我們展現出來。

天道系統是借助超級電腦系統組群建的擬真的地球物理環境系統,以按照真實情況模擬各種物理的化學等的現象,如實反映這個世界的本質,每一個物體,都用物理規則加以詮釋,以數位地方式表現出來,每一個電腦組群所代表不同的物理規律和角色,模擬時,與每一個外來程式所相關的物理化學規律都會被自動調出來,根據所要模擬程式自身的狀態進行計算,對結果狀態進行調整,並即時對結果狀態進行跟蹤模擬。如果擁有海量的資料,可以利用這套系統對所有的已知現象進行模擬,如小到國中物理實驗,大到飛彈發射,利用這個系統配合其他的必要設施可以做各種飛行模擬器,並能由虛擬的實戰獲得實戰經驗--此系統不是程式的反應,而是根據"虛擬實際變化"計算的結果。

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