典型案例

本项目设计并开发了一种用于大气动力学中经常出现的强时间依赖问题的高可扩展性全隐式求解器。该求解器使用异构多重网格局部分解算法，显著地加快了求解器的收敛过程，并利用了粗粒度并行。此外，设计了在物理上的多块异步不完全LU 分解方法来解决每个重看子域上的子问题，从而进一步取得粗粒度并发。同时,在不同硬件层级上实现了系统层面上的优化,充分利用了异构计算单元,从本质上减少了数据移动的开销。基于“神威•太湖之光”超级计算机，求解器实现了快速且准确的大气模拟，分辨率达公里级，整机持续计算性能为7.95PFlopS。

该应用已获得2016 年“戈登•贝尔”奖。

本项目基于“神威•太湖之光”超级计算机的强大计算能力,成功设计实现了高可扩展性的非线性地震模拟工具，该工具充分发挥国产处理器在存储、计算、通信资源等方面的优势。研究团队选取了唐山大地震震源附近达320公里X 312公里X40公里的空间区域以0.001秒为时间单位，精确模拟了该区域在地震发生后 150秒内的地质变化，分辨率可达到8米，频率可达到 18 赫兹。分辨率越高、频率越高，对地震模拟刻画越精确，能模拟地震的震级越大，而频率越高，则对高频信息的刻画越准确。这也是国际上首次实现如此大规模下的高分辨率、高频率的非线性塑性地震模拟。

该工具首次实现了对唐山大地(M7.2,1976)发生过程的高分辨率精确模拟，使得科学家可以更好的理解唐山大地震所造成的影响，并对未来的地震灾害救援演习、预防预测等研究具有重要的借鉴意义。

研究团队基于新一代神威超级计算机，研发了量子计算模拟器 SWQSIM，提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法，可高效扩展至数千万核并行规模,并提供每秒 4.4 百亿亿次的持续计算性能，与“悬铃木”200 秒完成 0.2% 保真度的百万采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟 ，SWQSIM 则可在 304 秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，打破其所宣称的“量子霸权”。

神工坊团队开创性地在“神威•太湖之光”超级计算机上基于swOpenFoam完成发动机整机模拟。目标发动机由2个轴、2级风扇、10级压气机、一个短环形燃烧室，和7级涡轮组成。网格总量在业界首次达到50亿，并行规模达到65336个MPI进程，强扩展性测试中66560核相对8320核并行效率保持在80%以上。在“神威•太湖之光”上投入的总核数为400万核。

本次仿真应用实现了高保真模拟，设计人员可以捕捉部件相互作用造成的复杂现象，并在设计的中后期阶段对航空发动机的性能进行合理准确的预测，从而缩短发动机研发周期、降低研发成本。在第18届中国CAE工程分析技术年会暨第4届中国数字仿真论坛上，本次应用斩获2022数字仿真科技奖“卓越应用奖”。

为应对现代超级计算机存储子系统的复杂结构带来的冗长I/O 路径、资源竞争、应用性能低下等问题，国家超级计算无锡中心自主研发了I/O性能监控与分析诊断系统(简称Beacon)。Beacon 通过轻量级高可扩展的采集架构采集超级计算机的全机全路径的信息，运用大数据分析、机器学习等方法，实现了实时定位超级计算机的热点问题如：应用间冲突干扰、系统降级、系统配置错误等，并提出了多种解决方案。

目前,该系统已应用到了曙光“派”集群、“神威•太湖之光”和神威新一代超级计算机上，为用户和管理员监测应用和系统I/O性能、解决I/O问题热点带来了诸多便利,帮助解决了上百个问题,服务了数百个应用,累计节省了数亿核时。

针对当前气候气象数值模式参数调优计算开销大、寻优方法不全面、操作流程复杂等问题，国家超级计算无锡中心自主研发了集参数采样、参数分析、参数筛选、参数寻优为一体化的参数自动优化软件。从敏感性分析、参数降维、参数和方案优化、集合设计和计算机支撑等多个维度进行综合的功能设计和开发，帮助模式开发者和用户深入理解模式性能和有效开展针对性的模式性能调优。目前已在多种常用气候气象模式中进行了参数优化的应用，实现了高效自动化参数优化流程的同时，也显著提升了模式模拟能力,能够帮助用户大大减少计算成本，同时得到更好的模式模拟精度。

国家超级计算无锡中心承担了国家气候中心区域精细化气候预测业务系统的建设，对我国短期气候预测服务提供支持，并对外提供和发布气候预测相关产品和数据，该系统充分运用先进的设计和开发理念，采用跨领域共同设计的方式，融合高性能计算、数值模拟和平台设计等专业技术,成功搭建了一套区域精细化气候预测业务系统,填补了区域气候模式动力降尺度技术在我国气候预测业务应用的空白。 

目前，该系统已形成稳定的区域气候模式逐月滚动集合气候预测体系，业务预测精度逐年提升，数据产品连续多年参与汛期气候预测会商，多次在会商中取得良好成绩，尤其是在 2020 年汛期降水预测中，预测系统输出结果的 PS 评分高达 81分，位列历史客观预测评分前列，取得了良好应用效果。

药物性能不仅取决于药效，而是依赖于药效和毒副作用等指标的平衡。目前，评估化合物与特定受体结合能力的研究手段比较完善，但是充分评估药物分子与各种蛋白质的结合能力还面临很大的困难。在毒副作用研究方面尚未具备理性设计能力，只能通过昂贵的动物实验进行评估。在投资巨大的临床研究阶段，大批候选药物因为毒副作用而退出临床，带来巨额损失。评估药物与数千个受体的结合能力，目前无法通过实验研究实现。分子对接(DOCK) 是研究小分子与蛋白质相互作用的常用工具之一，被广泛用于快速评估小分子与受体的结合能力。

本项目设计了兼容UCSF  DOCK3格式输入的自研分子对接软件SWDOCK。支持神威•太湖之光和新一代神威超级计算机。在测试中可以达到平均每个受体在单核组上0.0075s的对接速度。并且具有良好的并行扩展性。

分子动力学模拟是人类认识和了解微观世界的重要工具之一，是目前观测微观体系随时间演进的主要手段，在生命科学和材料学中有广泛的应用。

生命科学

bio-ESMD（biological Exa-Scale Molecular Dynamics）是一款针对神威系列处理器开发的分子动力学模拟软件。其前身是基于神威•太湖之光的分子动力学性能测试实现ESMD。与常见的分子动力学模拟软件不同，ESMD和bio-ESMD都使用了完全的格点索引实现，也就是，纯正的无邻接表实现，以在SW26010的DMA+GLD/ST框架下将其访存性能发挥到极致，从而为后续的计算优化提供机会。

材料学

生物材料团队移植了Tersoff、ReaxFF、ILP等力场，并有自研的基于LAMMPS的层间力场LMFF。LMFF在模拟层状的BNC材料中有显著的性能优势，2022年，由山东大学、清华大学和超算中心组成的联合团队完成了微米级石墨摩擦体系的模拟，并且实现了第一次对该体系中弹性波的观测。