資訊科技

超級電腦「計算」生活

超級電腦能執行一般電腦無法處理的大規模計算,近年來氣象模擬、工程設計、影像科技等,已經越來越倚重超級電腦。超級電腦不僅展現國家科技競爭力,也能協助解決人們日常所遇問題,「算進」你我的生活中。

撰文/呂怡貞
審稿/姚志民(國研院國家高速網路與計算中心副主任)、王迎春(國研院國家高速網路與計算中心育才與推廣組組長)、李清勝(國研院颱風洪水研究中心主任)、許晃雄(中研院環境變遷研究中心研究員、台灣大學大氣科學系合聘教授)(依相關文章內容先後順序排列)

資訊科技

超級電腦「計算」生活

超級電腦能執行一般電腦無法處理的大規模計算,近年來氣象模擬、工程設計、影像科技等,已經越來越倚重超級電腦。超級電腦不僅展現國家科技競爭力,也能協助解決人們日常所遇問題,「算進」你我的生活中。

撰文/呂怡貞
審稿/姚志民(國研院國家高速網路與計算中心副主任)、王迎春(國研院國家高速網路與計算中心育才與推廣組組長)、李清勝(國研院颱風洪水研究中心主任)、許晃雄(中研院環境變遷研究中心研究員、台灣大學大氣科學系合聘教授)(依相關文章內容先後順序排列)

  超級電腦的效能遠超過個人電腦(見〈超級電腦,哪裡超級?〉),但超級電腦的應用卻也像個人電腦一樣,與你我日常生活密不可分。早上出門前觀看氣象預報,接著搭乘大眾運輸系統上班,下班後去看場充滿特效的電影,假日時開著車奔馳於公路上,隨時將有趣照片上傳網路…,這些生活上的安全與便利,都與超級電腦的運算有關。


高速計算處處可見


  許多先進國家將超級電腦視為國家競爭力的指標之一,因為超級電腦具有高速運算能力,能即時處理大量的數值計算,是推動國家科學研究與產業發展的利器。


  超級電腦的使用領域非常廣泛,以國內唯一開放高速計算主機給各界使用的國研院國家高速網路與計算中心(簡稱國網中心)為例,從1993年開始提供服務至今,已建置超過20部超級電腦,目前服役中的超級電腦有御風者、Formosa 3、IRIS等六套主機。這些電腦每年支援國內產學研各界研究計畫約800件,含括各類應用。其中物理類是最大宗,如再生能源、奈米材料與元件開發、天文觀測與模擬宇宙形成等研究都是,其次是化學領域,如燃料電池研發、新藥設計等。


  工程方面,研發與改善橋樑、建築物與交通工具的結構,多年來一直是國網中心與學研界合作的研究主軸,例如101大樓的防震設計也有賴超級電腦的計算。工程領域裡以交通工具類最多,如台北捷運車廂的輪胎設計與磨損模擬、高鐵進出隧道的風切測試與防止音爆、汽車碰撞模擬、大客車翻覆模擬、摩托車與腳踏車的結構測試、機翼、船舶、汽車的流線設計,還有自製火箭設計與模擬發射等,幾乎陸海空的交通工具都需經由超級電腦計算才能安全「上路」。


  將流體力學計算結合醫學領域,也是國網中心近年來的研究重點,透過與醫師合作,計算人體呼吸道內空氣供應量與血管裡的血液流動情形;在生命科學相關研究,則以發展顯微影像中計算細胞數量、面積、周長、圓度、平滑度等生理特徵,以及3D生物與醫療影像疊合技術為主。


  近年各國建置超級電腦的趨勢以GPU(繪圖處理器,graphics processing unit)混合CPU的計算節點為主,幫助計算更精細複雜的畫面網格,並大幅縮短處理高密度網格(註)的時間,提升向量計算的效能。GPU節點可大量使用在娛樂文化產業的算圖中,如快速生成電影動畫、電玩遊戲裡主畫面之間的內插畫面,以及刀光劍影、末日災難等特效,而細微的風吹草動、行雲流水的軌跡也都依靠高速計算,讓描繪出的影像更接近真實。


  相較於CPU,GPU的效能強大,以國網中心的超級電腦來說,單單只以CPU計算,每秒可算出約10~15張圖,若加上GPU的輔助,使用CPU與GPU混合節點的GPU叢集電腦,計算速度可達每秒100張圖。可即時呈現疊合虛擬場景與實際影像的擴增實境效果,幫助使用者進行事前模擬以預測日後事件發生或事物發展的可能,讓科技在生活中發揮作用。例如結合流體力學計算,可預先模擬水利或生態環境工程的發展情況,降低災害影響與可能的環境破壞。


  時下正熱門的雲端產業,超級電腦也不缺席。雲端運算泛指將電腦的所有功能都放在網路伺服器上,而不需儲存到個人電腦,著重搜尋、處理與排序資料的能力以及大資料量儲存。許多免費的電子信箱、搜尋引擎、網路平台等均為雲端服務,需要巨量硬碟空間以容納全球各地使用者的龐大資料,也需要寬頻傳輸以應付瞬間流量大增。但雲端服務一般來說,資料與資料之間分散性高、不需要串連,因此雲端主機鮮少共同執行一件大型任務,不必精算浮點運算速度與電腦效能,甚至硬體規格僅需伺服器等級。


  超級電腦除能應付大量、密集的小規模運算(即時的資料搜尋與管理),也能單純提供高儲存空間,因此亦適合做為各式雲端服務的基礎設施。例如搭配兼具資訊安全、資料備份與還原能力的軟體,以及高頻寬與高品質的網路,就可做為各項國家級雲端資料庫,如藝文數位典藏、科學影像資料庫、研發資訊交流平台,既能保障資料的機密性與完整性,亦有利於學術資源分享。



若欲將CO2注入深地層封存,必須考慮封存地點的地質、地層厚度、注入的深度、壓力、注入量等各種複雜因素,以及未來數百年氣體變化情形、洩漏的可能性等,這些安全性評估可透過電腦模擬來達成,但是計算量相當可觀。以100萬個計算網格來進行相關預測,舊有的超級電腦IRIS需一個星期才能完成,而御風者主機則可縮短至半天。右圖顏色代表CO2濃度,顏色越紅表示濃度越高,越藍則濃度越低。(圖片來源:國網中心)


最生活化的資訊──天氣


  建置與維護超級電腦需要龐大經費與投入豐厚的人力物力,因此在眾多研發領域中,國網中心最希望學研界能充份運用國家提供的超級電腦資源,來進行與民生、環境迫切相關的研究,或是進行跨領域、資料量龐大、涉及解大量未知數與變數的大尺度研究(large-scale research),此為一般研究計畫或研發單位無法自行執行的大規模計算,特別是氣象研究。


  台灣地形複雜,再加上變異性高的季風氣候,造成天然災害頻繁,有必要加強掌握氣象、水文的動態以因應防災、減災措施。然而天氣活動為高度非線性過程,對流現象不定時發生並隨機變動,還需考量溫度、濕度、地形、季節時間、風場、壓力場等變因,精準的預測與推估實屬困難。若要進行電腦模擬,所需處理的天氣參數可能高達數百萬筆,只有超級電腦才應付得來。


  國網中心的超級電腦為國內氣象研究提供大量的計算資源,例如國研院台灣颱風洪水研究中心以及國科會氣候變遷實驗室,均利用國網中心的超級電腦進行各項氣象水文的模擬。前者整合地面測站、探空氣球、衛星、雷達等各類觀測資料,考慮大氣、海洋、雲霧等物理過程的不同參數化模型和預報方程式,運用眾多高解析度數值模式進行模擬預報(或稱系集預報),增進對颱風結構、路徑以及定量降雨的預報能力。後者則針對長期氣候變遷進行研究,利用高解析度氣候變遷模擬資料,預計建構出一套國內可自行修改研發的全球氣候系統模式,進一步建立區域氣候變遷推估,並分析自然與人為因素對極端天氣產生的影響與長時間氣候的衝擊。


  模擬出的各項研究結果,包括短期天氣變化和長期氣候變遷資訊,均可提供中央氣象局與相關政府部會參考,使氣象預報更快速準確,有助於提升防災、救災效率與擬定正確的環境政策。


圖為2011年海馬颱風襲台期間,自6月20日上午8點開始,以IRIS主機模擬72小時內台灣各地降雨量(顏色刻度如右方,單位為mm);圖由左而右呈現45公里、15公里及5公里不同網格密度的計算,顯示高解析度模式預報可提供較好的雨量預測能力。未來若採用御風者計算,可將原本6小時的計算時程再縮短,以爭取更多防災應變時間。(圖片來源:國研院颱洪中心)


圖為IRIS主機計算的2010年梅姬颱風系集預報路徑,圖中也標示出實際颱風路徑與各國氣象單位使用不同氣象模式所預報的颱風路徑,顯示系集模擬結果較單一模式更為準確,可做為日後修正颱風預測路徑的參考。(圖片來源:國研院颱洪中心)


圖為探討雲與氣膠的交互作用對降雨量的影響;左圖為御風者模擬計算雲冰(淺藍)、雲水(深藍)、雪(粉紅)與冰雹(黃)四種水物之間轉換的物理過程;右圖為分析空氣中雲凝結核(紅)、雲水內雲凝結核(紫)、雨水內雲凝結核(黃)的氣膠數量與質量在空間的分佈情形。(圖片來源:國科會氣候變遷實驗室、台灣大學大氣科學系教授陳正平)



只為更貼近生活


  高速計算提供了可靠且現代化的研發方式,輔助科學研究在事先進行各項數值模擬,推估各種事件發生的機率,也協助科研產品在製造與推出之前的品質及安全測試,取代過去人工操作與嘗試錯誤的方式,可加速上市時程;例如手機複合材質的結合、LED的波長穩定與使用壽命測試等。而除了科研與文創產業,近年國際間高速計算應用趨勢與發展潛力,也擴大推廣到金融財經領域,如金融市場變化預估、經濟成長預測、稅賦制度計算、購物行為分析等,有些結果甚至可能影響政府決策與市場經濟運作。

  這些0與1的計算,可能造就的是增進人類福祉的學術成果,也可能小至身邊一個日常物件。超級電腦的蹤影隱藏在大眾平日生活中,成為現代生活不可或缺的工具。



註:為了利用電腦來計算,需要將計算範圍幾何切割成細密小格來近似原本的連續空間,然後將每小格的細部資訊與特性組合起來,以進行數值模擬與推算;網格切割越細密,要求解的方程數就越多,計算過程越複雜,計算量因此越龐大,所使用的計算工具軟硬體規格也必須更強大精良。




延伸閱讀

................................................................................................................

〈超級電腦,哪裡超級?〉,呂怡貞撰文,科學Easy Learn網路版

〈颱風洪水模擬劇場〉,國研院台灣颱風洪水研究中心

國科會氣候變遷實驗室

〈從「高速計算」到「雲端運算」〉,吳宙錦撰文,《國網中心簡訊》2011夏季號

〈氣象預報為什麼會不準?〉,李名揚撰文,《科學人》2009年10月號

〈打造雲端上 另一個台灣奇蹟〉,李名揚撰文,《科學人》2010年6月號

《雲端策略:雲端運算與虛擬化技術》,陳瀅著,天下雜誌出版



更多相關文章

2018年4月194期好奇機器人能自學 雜誌訂閱

本期最新文章