项目名称： 适应于千万亿次科学计算的新型计算模式 首席科学家： 陈

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1、项目名称：适应于千万亿次科学计算的新型计算模式首席科学家：陈志明中国科学院数学与系统科学研究院起止年限：2010.9至2015.9依托部门：中国科学院二、预期目标本项目以建立适应于千万亿次科学计算多学科交叉的新型计算模式为出发点，解决高效使用具有数千至数万处理器(核)的高性能计算机的关键基础算法问题，建立适应于千万亿次科学计算的高效并行应用支撑软件框架和平台，在框架和平台的支撑下，研制千万亿次科学计算并行应用程序，开展千万亿次科学计算典型应用示范研究。作为新型计算模式应用示例，我们将根据环境、材料、信息和国防建设等领域开展千万亿科学计算应用所必须解决的共性算法和支撑软件研制问题，开展大

2、波数波动离散问题和大规模特征值问题的可扩展算法研究，实现千万亿次科学计算的大规模并行软件框架的研制，将创新的高性能算法应用于高性能气候系统模式、国防建设中粒子输运模拟的高精度高效计算方法研究与软件研制、集成电路设计制造中三维光刻工艺仿真、几何参数偏差下互连线寄生参数提取等国家重大需求问题。我们将结合天河、银河、曙光等百万亿到千万亿次系列高性能计算机检验和运行本项目研制的支撑软件框架、平台和应用程序，在武器物理、惯性约束聚变和地球系统模式等领域支撑实现数十人的协同并行应用软件研制，形成规模化应用。五年的预期目标为:1．可扩展基础并行算法的创新理论●研究区域分解和多重网格这两种快速算法对大

3、波数波动问题求解，对波数是100以上的大波数波动问题，提出行之有效的数值算法，并考察算法的收敛性；●建立三维光刻工艺仿真的高效电磁场并行计算方法，解决几何参数偏差下互连线寄生参数提取的随机问题，建立一套基于完整物理原理的化学机械抛光工艺的建模和仿真算法；●发展三维地震波场正演快速算法和成像反演方法，建立基于多信息融合的反演理论和算法。●发表高水平学术论文30篇，培养博士和硕士研究生多人。2．自适应结构网格并行应用软件框架lJASMIN框架功能得到很大的完善和发展，适应实际应用的复杂性和多样性，在武器物理、惯性约束聚变和地球系统模式等领域支撑实现数十人的协同并行应用软件研制，形成规模化应

4、用。lJASMIN框架性能得到极大的提升，适应千万亿次计算。基于JASMIN框架研制的五个以上应用软件适应数千至数万处理器核，并行效率大于30%，获得网格规模达数亿、自由度达数十亿、粒子数达数百亿的标志性模拟成果。l获得软件著作权或专利2-4项，发表高水平学术论文20篇。3.自适应非结构网格并行软件平台和特征值计算●形成一个适合千万亿次并行计算机的并行非结构网格自适应软件平台，基于平台发展2个以上有实际应用背景的并行应用程序，在国产并行计算机的数千至数万个处理器核上开展大规模高效并行数值模拟；●建立可用于千个原子的动力学模拟和各种边界条件的有限元电子结构计算软件包，可利用上千个处理器核

5、进行大规模并行计算；建立一个包括热传导问题的统计力学多尺度耦合模型的、适用于大规模并行计算的软件包；●发展一种适合计算二维有阻挫或费米子系统的有效方法，能够解决Hubbard模型等与高温超导紧密相连的一系列计算物理问题，揭示高温超导现象的物理；●发表高水平学术论文30篇，培养一批并行计算的高水平研究人才。4．气候系统模式的高性能算法与应用●发展海冰/海洋模式转移极点的水平坐标；建立混合拉格朗日-欧拉海冰动力学数值方法；实现不同尺度下模拟冰间水道的随机参数化方案；确定截断和舍入误差随分辨率和时间的变化及计算误差的上确界；确定大气模式的可预报性及制约可预报性的因子；●发展高性能气候系统模式

6、，该模式将能处理近1亿网格、1000亿自由度、在1000到10000个计算核上运行；●利用气候（地球）系统模式开展短期（季节）和长期（十年至百年）气候预测研究，参加国际模式比较计划；利用全球或区域耦合模式重点开展东亚气候（特别是极端天气、气候事件）和海冰变化及预测的研究;●基于R13方程组所采用的修正方法，对任意高阶正则化矩方程组给出数值模拟方案,在该方案的基础上研究自适应方法，开展大气高层流体力学模拟。●发表高水平学术论文30篇，培养博士和硕士研究生多人,争取培养杰出人才1名。5.支持多物理耦合的粒子输运算法与软件●针对武器物理研究和核电站反应堆设计等领域中大规模高精度的科学计算，建

7、立MC全局解及全局降方差理论基础；●实现不同时空尺度下，粒子输运与其它物理过程高效、实用的大规模并行耦合计算；●通过MC方法与SN方法的耦合算法研究，实现MC方法与SN方法的正伴和空间两种耦合方式；●研制具有自主知识产权的、通用的、适应于数百至千万亿次计算机的大型粒子输运开放软件,实现数十亿至千亿粒子、数千上万核的蒙特卡罗大规模并行数值模拟能力，并取得良好的并行效率；●发表高水平学术论文20篇，培养博士后、博士和硕士研究生多人。三、研究方案本项