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曙光HPC助力中国“人造太阳”实现百秒量级运行
作者: 佚名 2017-07-11 16:18 【WatchStor】

从渴望飞翔到造出飞机,人类走过了至少数千年;从爱因斯坦的预言到引力波被真切探测到,人类走过了整整百年。当我们在讨论"十三五"规划纲要草案的时候,潜心研究的中外科学家们正在为同一个伟大梦想--"人造太阳"执着耕耘。

"人造太阳"指通过可控热核聚变的方式给人类带来几乎无限的清洁能源。太阳的光和热,来源于氢的两个同胞兄弟--同位素氘和氚,在聚变成一个氦原子的过程中释放出的能量。"人造太阳"就是"模仿"这一过程。氘和氚是取之不尽的能源,海洋中大概蕴藏了40万亿吨氘,理论上如果全部用于聚变反应,释放的能量足够人类使用几百亿年,因此聚变能源是人类梦寐以求的安全经济高效持久能源。

全球科学家们研究实现可控热核聚变的路径主要有两种:磁约束聚变和惯性约束聚变。前者,又称托卡马克,通过强磁场较长时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应。

中国科学院等离子体物理研究所(简称"等离子体所",英文缩写为ASIPP)承担的大科学工程"人造太阳"实验装置EAST,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置,它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家,使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。

7月4日,中国科学院等离子体物理研究所宣布,我国的超导托卡马克实验装置EAST在全球首次实现了上百秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。这一里程碑性的重要突破,表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面,将继续引领国际前沿,对国际热核聚变实验堆(ITER)和未来中国聚变工程实验堆(CFETR)建设和运行具有重大的科学意义。

ITER计划是当前世界上规模最大的国际科技合作项目,是人类探寻未来高效清洁能源的重要途径。实现稳态长脉冲高约束等离子体运行是未来聚变堆亟待解决的关键科学问题。EAST具有ITER类似的先进技术,未来五年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台,为ITER预演稳态运行是EAST的重要使命。这次实验的突破进一步提升了EAST在国际磁约束聚变实验研究中的重要地位,其科学研究成果将为未来ITER长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持,更为我国下一代聚变装置--中国聚变工程实验堆(CFETR)的预研、建设、运行和人才培养奠定了基础。

图:EAST首次获得的百秒量级稳态高约束模等离子体

等离子体所坐落在安徽省合肥市西郊科学岛,成立于1978年9月,主要从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术及相关高技术研究和开发,以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源为最终目的。

等离子体所是中国热核聚变研究的重要基地,在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术研究处于国际先进水平,先后建成常规磁体托卡马克HT-6B、HT-6M,我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置"合肥超环"(HT-7),世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置"东方超环"(EAST)。EAST由实验"Experimental"、先进"Advanced"、超导"Superconducting"、托卡马克"Tokamak"四个单词首字母拼写而成,它的中文意思是"先进实验超导托卡马克",同时具有"东方"的含意。EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。

EAST装置的主机部分高11米,直径8米,重400吨,由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广,技术难度大,许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境,从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温,给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。

EAST的建造具有十分重大的科学意义,它不仅是一个全超导托卡马克,而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形。在EAST建成后的10-15年期间,能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究,并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。

图:全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

等离子体所高性能计算集群最初创建于2008年9月,并于2011年7月成功升级为"神马"集群(Shen Ma Cluster)。集群总共拥有464颗计算核心,采用曙光TC2600高密度计算刀片,计算理论峰值为4.08万亿次每秒。

2012年12月,"神马"集群成功扩容,新增计算节点61个,总计976颗计算核心,实测计算峰值超过18万亿次每秒。扩容设备采用曙光TC4600高密度计算刀片,并配置曙光ParaStor100并行存储系统。

2014年9月,等离子体所再次对"神马"集群进行扩容,新增计算节点63个,总计1512颗计算核心,计算理论峰值达到60.48万亿次每秒。扩容设备采用曙光TC4600E高密度计算刀片。

经过多次扩容,目前"神马"集群总计共有约达3000颗计算核心,并配有四台SMP胖节点作为登录节点,六台双路机架式服务器作为管理、监控及网页Server服务器,169TB的并行存储系统,所有对外访问网络部署在硬件防火墙之内,构成目前相对稳定、安全、冗余的高性能计算系统。

"神马"集群自建成并投入使用以来,用户数量和资源需求不断增加,支撑了等离子体所内多个研究室的科研工作,为所内科研人员和科研项目提供了持续稳定的数值计算平台,促进了热核聚变等先进技术的研究和应用转化。

其中,等离子体理论与数值模拟研究室依托于超导托卡马克实验装置EAST,使用"神马"集群进行大规模科学计算,致力于托卡马克等离子体物理实验的理论预言和解释以及相关基础理论的研究,涉及的研究方向包括:射频波(离子回旋波、低杂波、电子回旋波)加热和电流驱动理论与模拟,磁流体动力学和高能粒子,等离子体基础理论,边界等离子体物理等领域。同时,计算机应用研究室是为超导托卡马克实验装置EAST,进行等离子体实时控制、中央控制、装置安全连锁与巡检保护、长时间海量数据采集、数据分析处理、电磁测量、图像显示、网络通讯、大规模科学计算,远程参与国际合作等提供计算机技术研究的实验室,其大规模科学计算所需计算资源同样来自于"神马"集群。

我们相信,有了"神马"集群的助力, EAST将会在发展稳态高性能等离子体物理的科学研究计划中始终处于世界前沿地位,进而为支持ITER和聚变能发展作出更大贡献!

科技的力量正逐渐改变着我们的生活,作为中国HPC第一品牌的中科曙光,也会继续为"人造太阳"早日持续安全地"普照大地"贡献力量


标签:高性能计算 

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