全球科研团队揭示再生能源奥秘：亿亿次超级计算机助力医学突破

“要真正了解下一个实验中正在发生的事情和将要发生的事情，你需要大代码和大计算机，”Choong Seok "CS" Chang博士说，他是美国多机构和多学科SciDAC高保真边界等离子体模拟合作中心的首席PI，总部设在普林斯顿大学的普林斯顿等离子体物理实验室。

常解释说，亿亿次超级计算机正是目前聚变研究所需要的。目前，最大的挑战之一是准确预测托卡马克反应堆内部的过程，该反应堆使用巨大的磁场将等离子体燃料限制在环形内，以满足聚变所需的条件。为了推进这项科学，张的团队准备使用Aurora Exascale超级计算机，这是我国第一台基于英特尔架构的Exascale HPC系统，将部署在美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室。

能够预测和控制托卡马克内部发生的任何扰动是非常重要的，这些扰动可能导致超高温等离子体与反应堆壁接触。工程师们有一个以毫秒计的窗口，在等离子体从磁约束中爆发并可能损坏反应堆之前控制不稳定性。

磁点X附近的电磁湍流称为同宿纠缠，它导致ITER等离子体中的等离子体能量额外泄漏到材料壁上。

反应器的壁必须由能够承受等离子体的极高热和压力的材料制成。钨具有任何纯金属中最高的抗拉强度，这就是为什么它被包括在国际热核实验反应堆(ITER)的托卡马克中，这是一个位于法国南部的国际聚变研究和工程项目。ITER于2013年开始，预计将于2026年拥有第一台等离子体，并将于2035年全面投入运营。它是世界上最大的托卡马克，旨在证明大规模聚变能源是可能的。

JET(欧洲联合托卡马克)实验发现，在托卡马克器壁上使用钨会导致低于预期的等离子体约束。“这完全出乎意料，”常说。“所以他们真的很担心。如果这是真的，ITER在目前的设计条件下可能很难产生比输入能量高10倍的聚变能量。”

DIII-D托卡马克等离子体中的斑点边缘湍流，导致边缘等离子体约束退化。

然而，实验还表明，注入非常轻的杂质材料，如氮或氖，可以恢复限制能级。然而，即使没有注入轻杂质粒子，英国牛津郡欧洲环面(JET)联合聚变项目的研究人员也能够在2021年12月在5秒脉冲中产生59兆焦耳的突破性能量，比之前的世界纪录高出一倍多。“这是一个历史性的事件，足以证明，是的，核聚变实际上是可行的，”常说。但是，由于他们没有将轻杂质粒子注入托卡马克的边缘，能量产生率还没有达到ITER要求的水平。

由于JET使用了与相同的壁材料，常说:“我们早期的极光科学是为了了解钨壁实验以及如何将其推广到上。我们需要进行基于第一原理的高保真模拟，从根本上验证物理。”他们的问题包括为什么钨会如此严重地降低聚变性能，为什么轻杂质粒子会恢复性能，以及如何最好地将其纳入反应堆设计。

exascale处理能力的增强使科学预测的保真度更高，并提供了训练更专业的替代模型的潜力，这些模型可以实时与实验设施共享。“通过使用针对人工智能和人工智能优化的大规模高性能计算，可以在运行大规模模拟和大规模实验的万亿次计算机之间实现日常通信和进展，”常说，并将其与当前可能需要几年时间的试错过程进行比较。“极光的峰值双精度有望达到2 exaFLOPs，将是完美的。”

Chang的团队正在使用XGC回旋加速器动力学代码，这是一种为超大规模计算机，特别是GPU机器构建和优化的现代细胞内粒子代码。它是高度可扩展的，并且对美国社区是开源的。“这是一个旨在利用大型现代HPC的大型代码-当我看到Aurora的规范时，我很兴奋，”他笑着说。他希望在2022年或2023年初为Aurora准备好代码。

Aurora将整合英特尔即将推出的HPC和AI软硬件创新，包括下一代英特尔至强可扩展处理器(代号为Sapphire Rapids HBM)，该处理器将由未来的英特尔数据中心GPU(代号为Ponte Vecchio)加速。它基于Slingshot 11 fabric和HPE克雷EX超级计算机平台。它将支持10 PB的内存，并将利用英特尔Optane持久性内存支持的分布式异步对象存储(DAOS)技术。“oneAPI统一编程模型将简化跨不同架构的开发，”

常认为，极光将缩短商业聚变能源的开发时间，他承认这似乎只需要几十年的时间。同时，他说，“还有很多工作要做。”