支持的科研项目

　　东北大学高性能计算平台支持的科研项目包括“基于网格的大型地质灾害预测系统”、“过程冶金计算”、“大型转子系统的可靠性灵敏度设计”和“光学衍射场计算”等20多个科研项目。

　　基于网格的大型地质灾害预测系统

　　“基于网格的大型地质灾害预测系统”是中国教育科研网格计划一期建设的计算流体力学网格应用平台上的五大典型应用之一，由我校资源与土木工程学院承担。该项目通过数值计算方法进行材料破坏及其工程结构灾害诱发机理的数值试验，能够解决固体破坏力学难题，实现材料及结构破坏的模拟和动态显示，使计算力学的研究手段可以在更大的范围内有效地指导实验的准备直至代替实验手段，不仅在理论上极具学术高度，而且在材料科学、工程科学的学科发展中也具有重要的战略意义。

　　该项目由东北大学高性能计算平台提供计算支持，其成果作为组成部分获得了国家科技进步二等奖。

　　过程冶金计算项目

　　该计算项目隶属于东北大学的冶金工程学科，该学科是一级学科国家重点学科,也是东北大学“211”工程和“985”工程重点建设学科，该学科包括了材料电磁过程研究教育部重点实验室、多金属共生矿生态利用教育部重点实验室和特殊钢及新材料冶金教育部工程技术研究中心。

　　冶金过程与流体流动和传输过程密切相关，且多为高温、多相、非稳态、未平衡过程。反应器几何结构复杂，外来因素干扰多，直接计量困难。利用计算机技术和相关软件对冶金反应器内的过程或现象进行仿真，从时间和空间上对所研究的过程进行数值再现成功的数值模拟往往可以提供远多于物理模拟和实物内观测所能获得的信息与数据。冶金过程数值模拟已经成为冶金工程学科研究的一种基本实验方法，在冶金工程学科研究中具有十分重要的地位。

　　冶金过程是一个复杂的多相反应、传输过程，为了较好的模拟这一过程，需要对描述流动、传热、传质过程的控制方程进行求解。冶金反应器体积较大，意味著计算区域较大，为了保证计算的精确度，划分的计算网格量往往会很大(甚至达到50万个)。划分的计算网格量往往会很大，甚至达到数百万个，需要占用大量的计算资源。对于一些包含多相流动的问题，如气泡、夹杂物在钢液中的运动，渣/金两相的界面运动行为等，需要引入多相流动模型进行描述。计算过程中需要存储大量的时间点数据，这意味着计算时需要大量存储资源。计算流体力学商业计算软件Fluent支持并行计算，可以利用多个计算节点(处理器)同时进行计算。并行计算可将网格分割成多个子域，每个子域就会在不同的计算节点上独立计算。

　　利用东北大学高性能计算平台的集群系统，该项目使用Fluent并行计算软件，大大提高了计算效率，并实现了对冶金过程中复杂的多相传输现象进行模拟仿真。

　　大型转子系统的可靠性灵敏度设计

　　该系统隶属于我校机械工程与自动化学院承担的国家高技术研究发展计划项目。针对大型离心压缩机转子系统和航空发动机转子系统可靠性评论和可靠性灵敏度等关键性问题进行研究。大型转子系统作为旋转机械(如：发电机组、燃气轮机机组、核电装备、航空发动机等)的关键核心部件，在支撑国家命脉的电力、能源、交通、石油、化工、冶金、国防等重要工业部门中发挥着不可替代的作用。旋转机械常常由于出现各种不同形式的故障而影响其正常工作，有时甚至会发生由于故障引发的严重的机毁人亡的事故，并造成重大的经济损失。

　　该项目使用商业软件(Nastran，Adams等)对复杂结构系统进行多次(级)有限元分析和数值模拟，对计算的性能要求很高。东北大学高性能计算平台为其提供了计算支持。承担该项目的课题组老师认为：高性能的计算设备对于本课题的顺利完成是不可或缺的。

　　光学衍射场计算

　　该计算项目由东北大学理学院物理系实施。光学衍射场计算中的图形计算量非常巨大。并行计算结构非常适合开矢量叠加的物理场的数值计算。这类计算程序结构都比较简单，符合分布计算系统的结构特点。所利用的恰恰是分布浮点计算、分布内存和集中存储等特性。集群计算节点之间通讯量极少。使用大规模的集群系统对光学衍射场计算有现实和长远的意义。

　　其中近场图像是没有办法用实验获取的，只能通过计算模拟。很多图像的正确性需要经过大量计算，并与实验对比后才可以确定。近场计算的意义在于计算的图像能够与实验相一致，进而也说明了计算方法的正确性。

　　从细致的瞬时图像(目前还没办法实际拍摄)中可以进一步获得光学衍射规律。许多规律经过进一步提炼，抽象得到普遍的规律，将有助于进一步完善光学理论。图3是该项目计算小方光阑附近的进场得到的衍射图像。

　　高性能计算在高校中的应用

　　高性能计算已经与理论研究、实验科学相并列，成为现代科学的三大支柱之一。随着高校承担的科研项目对高性能的需求越来越强，过去只用于少数科研机构的高性能计算机，已经成为了众多高等院校必备的“科研基础设施”。

　　东北大学高性能计算平台已经运行近5年。从最初来计算的师生寥寥无几发展到了目前的计算作业排队等候，计算能力吃紧，可以看出高性能计算发挥的作用正在逐步增大。那么高校的高性能计算平台该如何建设呢？

　　从运行形式上看，目前高校的高性能计算平台建设有两种方式：一种是集中式的建设，一种是分散式的建设。

　　所谓集中式的建设是指由学校统筹建设高性能计算中心，整合软硬件资源，并配置专门的专业技术队伍的建设方式。这种方式的优点是可以集中投资，有利于最大化平台的使用率；缺点是平台建设一次性投入较大，可能难以迅速的满足某些应用的计算需求(比如专业软件购置滞后等)。

　　所谓分散式的建设是指由需要高性能计算的基层科研教学组织或老师自行购置建设的方式。这种方式的优点是以应用需求为驱动，可以满足其个性化的计算需求，进而迅速地构建并投入使用；缺点是规模较小，使用对象单一，使用率较低，容易产生资源浪费，缺少专业的技术人员，会面临后期维护难的问题。

　　从管理模式上看，我校采用了集中管理，由学校承担运行和管理投入，包括建设费用、电费等均由学校承担，对使用高性能计算平台的师生也不收取任何费用。当然为了规范高性能计算资源合理使用也可以针对计算开销收入一定的使用费用。

　　随着校园网网络条件的改善(比如带宽的增加，各高校的主干网带宽目前大都达到了10Gbps)以及虚拟化和云计算等技术的演进，我们认为集中式的方式会成为未来高校高性能计算平台建设的趋势。
　　我们可以设想，将来会有一个适用于高校教学和科研的虚拟计算环境，未来每一个师生在校园里都可以通过标准化的输入输出终端随时随意地使用该环境提供的学习、科研环境，提交自己的计算需求，查阅自己关心的资源，不会为了自己的计算机的CPU慢而烦恼，也不用担心病毒的侵扰，更不用担心文件资料的丢失。那时，师生们可以将一切烦恼都抛向“云端”。
　　(作者单位为东北大学网络中心)

　　来源：《中国教育网络》2010年6月刊