高性能计算的应用

高性能计算的应用

随着高性能计算技术的发展，高性能计算开始广泛应用于各个领域。在核电，气象，工业工程，水下工程，建筑，生物医学，社会科学等方面均有重要的应用。

1、核电工程领域

在核电工程领域中，核电压力容器分析，开孔安全壳环向应力分析，核电厂房抗震分析，核反应堆压力容器与管道温度分析，核电流固耦合分析，核安全防护分析等方面均需要大规模的计算[1]。通过高性能计算，对工业仿真流程进行分析，直接减少了计算时间，降低了成本，提高了企业的竞争力。

2、气象

在气象领域中，数值天气预报模式的科学研究和业务运行需要高性能计算。目前，数值预报模式的水平分辨率已达到了15~20公里，而未来的3-5年内几乎世界各国的全球数值预报模式的水平分辨率都将要提高10~20公里[2]，为适应其快速发展，气象部门需要引进和更新高性能计算机系统用以支持气象应用。

3、工业工程

对于工业和工程领域来说，使用高性能计算对于计算数学特别是用力学计算仿真手段来模拟实际产品制造、产品运行环境和工程建设环境具有不可代替的作用[3]。高性能计算降低了物理原型和实验的数量，提高了设计质量和效率，提升了企业解决复杂技术难题的手段和能力。

在石油勘测方面，由于地震波法勘测收集的数据通常都以TB计，在海洋勘测过程中的数据容量更是达到了PB级别量[4]，面对这些海量的数据，只有借助性能出色的高性能计算机系统，才能缩短时间，以实现最佳的勘测效益。

在高光谱遥感数据处理方面，高光谱遥感数据的海量特性严重制约了应用的拓展和实际工程应用效率的提高，大量数据操作和处理的复杂性决定了高光谱遥感图像处理具有很强的计算性[5]，普通计算机远远无法满足遥感数据处理的增长需求，因此高性能计算是解决海量数据处理效率低的有效方法。

在飞机设计方面，首先，飞机设计需要做大量的气动力预测工作，采用高性能计算比采用传统的风洞试验成本要低得多，而且在提升飞机性能时，常规基于雷诺平均方程的CFD技术并不能有效处理，因为它需要的计算网格约10亿量级，需求的计算能力比常规计算高出2个量级以上。其次，精确噪声预测，螺旋桨滑流研究，需要的计算能力比常规计算高出2个量级以上。而现代军用飞机对雷达散射截面计算的要求十分严格，只有基于高性能计算的电磁数值仿真技术有望解决RCS预测难题[6]。

在岩石力学课程教学方面，由于岩石力学需要将工程实例，实验模型和理论模型相结合，才能增强教学效果。尤其在涉及破裂问题上，从变形，损伤演化到最终失稳的过程对数值模拟而言需要网格重划分、单元消去与再生、节点释放和数据存储管理，串行CPU和内存无力做到精细表征[7]。因此，需要通过高性能计算，充分利用数值模拟辅助岩石力学教学

在电力系统工程方面，现代的电力系统分析需要越来越多的计算，包括仿真，优化，控制和分析。人们需要寻求新的方式追求计算更快的方法来进行效率性更高的计算及解决问题，以确保电力网格系统的安全性和可靠性[8]。一个很明显

且适合的方法就是运用高兴能计算来对相关领域进行计算，解决问题，提高效率。

4、水下工程

在水下航体设计方面，许多关键技术需要利用高性能计算技术进行突破。这些关键技术涵盖流体动力分析，航行控制，结构分析，动力学分析，流固耦合，水下噪声分析等学科领域[9]。传统的设计方法存在很大障碍。通过高性能计算技术，合理建模，在计算机上模拟产品的性能，并获得各种参数，可以为突破这些领域关键技术提供了有力的技术手段。

在水工上的应用方面，目前在水利现代化建设中，数字流域的建设受到高度重视。而高坝计算规模大，非线性明显，不确定性影响因素多，对安全性要求高[10]，因而在数值模拟和仿真分析上要求做到精细模拟和高速运算。通过并行计算技术可以大大解决了耗时长的问题。高性能计算为此提供了技术保证。

5、建筑结构领域

在建筑领域中，人们需要对施工进行模拟，分阶段变刚度进行分析，通过高性能计算施工进度下结构的内力和位移水平，对关键工况进行分析，以及弹塑性时程分析[11]，通过模拟得到的各种参数，就能更好的应用于实际大楼的规划与建设，从而完成整个建筑。

6、生物医学

在生物科学领域上，面对基因，蛋白质等高分子的研究以及对各种药物性质的测试[12]，高性能计算显得尤为重要。在人类基因组的测序中，基因组序列的长度通常都在几十亿碱基对以上，若要得到全部序列，就需要将单次测序得到的结果进行拼接，而由于序列拼接问题的复杂性，它对存储空间的要求性非常高，运用高性能计算，能有效地提高拼接效率[13]。

7、社会科学

在英国，养老机构必须要依法定期展示其偿债能力，那些偿付能力的计算通常用于将来估计的基础。那么精算师利用高性能计算进行人寿保险和养老产业合同等的计算，展示偿付能力时，其严谨的态度更容易为公司取得更大的竞争力[14]。

目前的世界是一个充斥着数据的世界，无论哪行哪业几乎都会产生海量级的数据，若要更有效率的处理这些数据，在不同领域中发展高性能计算是现在世界各国研究的方向。

[1]Yan Sitai,Xiong Mengli,Zhao Shunguang,Zeng Zhihua,”Application of high performance computing and job scheduling technology in the field of nuclear power engineering.”

[2]Wang Bin,”Application of high performance computing technology in meteorological department.”

[3] Wang Puyong, Ding Junhong,”Application and practice of high performance computing in industry and engineering.”Shanghai Supercomputer Center, Shanghai 201203, China

[4] LI Min,”Development of high performance computer and its application to petroleum exploration.”Sinopec Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China

[5]罗耀华，高性能计算在高光谱遥感数据处理中的应用研究。

[6] LI Quan,GUO Zhaodian,YANG Wangdong. “Application of high performance computing in aircraft design[J].Aeronautical”Science & Technology, 2014,25(06):62-65.

[7] LI Lian-chong,Liang Zheng-zhao,Ma Tian-hu,i Zhang Yong-bin,”Practice in improving the teaching quality of rock mechanics major with high-performance computing technique.”School of Civil and Hydraulic Engineering ,Dalian University of Technology ,Dalian,Liao ning 116024,China