曙光HPC助力中國「人造太陽」實現百秒量級運行

從渴望飛翔到造出飛機，人類走過了至少數千年；從愛因斯坦的預言到引力波被真切探測到，人類走過了整整百年。當我們在討論「十三五」規劃綱要草案的時候，潛心研究的中外科學家們正在為同一個偉大夢想——「人造太陽」執著耕耘。

「人造太陽」指通過可控熱核聚變的方式給人類帶來幾乎無限的清潔能源。太陽的光和熱，來源於氫的兩個同胞兄弟——同位素氘和氚，在聚變成一個氦原子的過程中釋放出的能量。「人造太陽」就是「模仿」這一過程。氘和氚是取之不盡的能源，海洋中大概蘊藏了40萬億噸氘，理論上如果全部用於聚變反應，釋放的能量足夠人類使用幾百億年，因此聚變能源是人類夢寐以求的安全經濟高效持久能源。

全球科學家們研究實現可控熱核聚變的路徑主要有兩種：磁約束聚變和慣性約束聚變。前者，又稱托卡馬克，通過強磁場較長時間約束高溫稀薄等離子體使之發生聚變反應。

中國科學院等離子體物理研究所（簡稱「等離子體所」，英文縮寫為ASIPP）承擔的大科學工程「人造太陽」實驗裝置EAST，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，它的建成使我國成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。

7月4日，中國科學院等離子體物理研究所宣布，我國的超導托卡馬克實驗裝置EAST在全球首次實現了上百秒的穩態長脈衝高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄。這標誌著EAST成為了世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。這一里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，將繼續引領國際前沿，對國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來中國聚變工程實驗堆（CFETR）建設和運行具有重大的科學意義。

ITER計劃是當前世界上規模最大的國際科技合作項目，是人類探尋未來高效清潔能源的重要途徑。實現穩態長脈衝高約束等離子體運行是未來聚變堆亟待解決的關鍵科學問題。EAST具有ITER類似的先進技術，未來五年內將是國際上唯一有能力開展超過百秒時間尺度的長脈衝高約束聚變等離子體物理和工程技術研究的實驗平台，為ITER預演穩態運行是EAST的重要使命。這次實驗的突破進一步提升了EAST在國際磁約束聚變實驗研究中的重要地位，其科學研究成果將為未來ITER長脈衝高約束運行提供重要的科學和實驗支持，更為我國下一代聚變裝置——中國聚變工程實驗堆（CFETR）的預研、建設、運行和人才培養奠定了基礎。

圖：EAST首次獲得的百秒量級穩態高約束模等離子體

等離子體所坐落在安徽省合肥市西郊科學島，成立於1978年9月，主要從事高溫等離子體物理、磁約束核聚變工程技術及相關高技術研究和開發，以探索、開發、解決人類無限而清潔的新能源為最終目的。

等離子體所是中國熱核聚變研究的重要基地，在高溫等離子體物理實驗及核聚變工程技術研究處於國際先進水平，先後建成常規磁體托卡馬克HT-6B、HT-6M，我國第一個圓截面超導托卡馬克核聚變實驗裝置「合肥超環」（HT-7），世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置「東方超環」（EAST）。EAST由實驗「Experimental」、先進「Advanced」、超導「Superconducting」、托卡馬克「Tokamak」四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是「先進實驗超導托卡馬克」，同時具有「東方」的含意。EAST裝置是我國自行設計研製的國際首個全超導托卡馬克裝置。

EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實驗運行需要有大規模低溫氦製冷、大型高功率脈衝電源及其迴路、大型超導體測試、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進診斷測量等系統支撐。學科涉及面廣，技術難度大，許多關鍵技術目前在國際上尚無經驗借鑒。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境，從芯部上億度高溫到線圈中零下269度低溫，給裝置的設計、製造工藝和材料方面提出了超乎尋常的要求。

EAST的建造具有十分重大的科學意義，它不僅是一個全超導托卡馬克，而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形。在EAST建成後的10-15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究，並使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。

圖：全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST

等離子體所高性能計算集群最初創建於2008年9月，並於2011年7月成功升級為「神馬」集群(Shen Ma Cluster)。集群總共擁有464顆計算核心，採用曙光TC2600高密度計算刀片，計算理論峰值為4.08萬億次每秒。

2012年12月，「神馬」集群成功擴容，新增計算節點61個，總計976顆計算核心，實測計算峰值超過18萬億次每秒。擴容設備採用曙光TC4600高密度計算刀片，並配置曙光ParaStor100並行存儲系統。

2014年9月，等離子體所再次對「神馬」集群進行擴容，新增計算節點63個，總計1512顆計算核心，計算理論峰值達到60.48萬億次每秒。擴容設備採用曙光TC4600E高密度計算刀片。

經過多次擴容，目前「神馬」集群總計共有約達3000顆計算核心，並配有四台SMP胖節點作為登錄節點，六台雙路機架式伺服器作為管理、監控及網頁Server伺服器，169TB的並行存儲系統，所有對外訪問網路部署在硬體防火牆之內，構成目前相對穩定、安全、冗餘的高性能計算系統。

「神馬」集群自建成並投入使用以來，用戶數量和資源需求不斷增加，支撐了等離子體所內多個研究室的科研工作，為所內科研人員和科研項目提供了持續穩定的數值計算平台，促進了熱核聚變等先進技術的研究和應用轉化。

其中，等離子體理論與數值模擬研究室依託於超導托卡馬克實驗裝置EAST，使用「神馬」集群進行大規模科學計算，致力於托卡馬克等離子體物理實驗的理論預言和解釋以及相關基礎理論的研究，涉及的研究方向包括：射頻波（離子迴旋波、低雜波、電子迴旋波）加熱和電流驅動理論與模擬，磁流體動力學和高能粒子，等離子體基礎理論，邊界等離子體物理等領域。同時，計算機應用研究室是為超導托卡馬克實驗裝置EAST，進行等離子體實時控制、中央控制、裝置安全連鎖與巡檢保護、長時間海量數據採集、數據分析處理、電磁測量、圖像顯示、網路通訊、大規模科學計算，遠程參與國際合作等提供計算機技術研究的實驗室，其大規模科學計算所需計算資源同樣來自於「神馬」集群。

我們相信，有了「神馬」集群的助力， EAST將會在發展穩態高性能等離子體物理的科學研究計劃中始終處於世界前沿地位，進而為支持ITER和聚變能發展作出更大貢獻！

科技的力量正逐漸改變著我們的生活，作為中國HPC第一品牌的中科曙光，也會繼續為「人造太陽」早日持續安全地「普照大地」貢獻力量！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！