科学与工程计算国家重点实验室：理论和实践相长
2013年07月23日
作者：沈春蕾
来源：中国科学报
科学与工程计算国家重点实验室：理论和实践相长
■本报记者 沈春蕾
实验室的宗旨从成立之初就一直没有改变，即从实际问题出发，注重计算方法的构造和分析，让科学计算服务于应用需求。
“浪潮”高性能计算集群系统
科学与工程计算国家重点实验室正以解决经济发展、社会进步和国家安全密切相关的科学计算问题为目标，凝练新的数学模型、发展新的计算方法，在推动科学计算基础研究的同时，将基础理论研究的优势落实到促进国家发展的实际应用中。
在中国科学院数学与系统科学研究院（以下简称数科院）科学与工程计算国家重点实验室（以下简称实验室）科研楼进门处，矗立着一尊人物雕像，这正是中国科学院院士冯康的雕像，他是该实验室的创始人。
冯康是我国老一辈杰出数学家，该实验室是在他的倡导、筹备和组织下创建的，第一任主任是中国科学院院士袁亚湘。
“今天，实验室正以解决经济发展、社会进步和国家安全密切相关的科学计算问题为目标，凝练新的数学模型、发展新的计算方法，在推动科学计算的基础研究的同时，将基础理论研究的优势落实到促进国家发展的实际应用中。”现任科学与工程计算国家重点实验室主任陈志明告诉《中国科学报》记者。
从实际问题出发
这所实验室筹建于上世纪90年代初期。当时，国际学术界正在推动一场从计算数学向科学计算的变革，这对中国产生的影响则是诞生了科学与工程计算国家重点实验室。
陈志明表示，实验室的宗旨从成立之初就一直没有改变，即从实际问题出发，注重计算方法的构造和分析，让科学计算服务于应用需求。
比如，实验室辛几何算法课题组在冯康率领下，系统地提出了哈密尔顿系统辛几何算法，解决了一系列理论和数值计算问题，获得远优于已有方法的计算效果。该课题组主要成果包括：提出辛几何算法；发展了生成函数理论；在此基础上构造各种任意阶精度的辛格式，研究其对称性和守恒律；把辛算法思路推广到更一般的动力系统，构造了切触格式、保体积格式、多辛格式等，形成了一套利用组合格式达到高精度的保结构法。
辛几何算法课题组的研究工作以其特有创新性、系统性、广泛性、理论完整性和成果丰富多彩性受到国际知名学者的高度评价，并且带动国际上一系列相关研究，已在天体力学、分子动力学等众多领域研究中得到成功应用。
多元化合作通道
“虽然研究领域是数学，但我们也希望可与其他领域专家进行交流。”陈志明说，“数学应用面非常广泛，尤其是科学计算，在材料设计、集成电路、航空航天和数据通信等众多的生产领域都有应用。多与这些领域的专家交流，有助于我们提升解决问题的能力。”
PHG（Parallel Hierarchical Grid）是实验室正在发展的专门为三维自适应有限元计算所设计的并行程序开发平台，其核心是分布式的层次网格结构。
目前，PHG处理的网格对象是三维四面体协调网格。PHG采用C语言开发，基于MPI消息传递通信实现并行。基于PHG完成的并行自适应有限元应用程序在国产高性能并行计算机上，最大并行规模达到数万个处理器核，最大网格规模超过十亿个计算单元。
PHG平台使科研人员可在并行计算环境下方便地使用自适应有限元方法，提升计算效率的同时，显著地缩短了设计算法周期。在集成电路参数提取的有限元自适应计算中，基于PHG开发的并行程序已高效处理20亿个自由度的系统。
“我们要用数学语言建模，通过模型在实际应用中的计算结果判断其是否满足实际需求，并通过评价结果改进算法、软件和模型。”陈志明说，“建模过程很复杂，但与其他领域的结合只是我们工作的开端。每个数学模型背后都应对应一个，甚至一系列重要的科学计算问题。”
陈志明介绍，实验室42名科研人员里，超过一半从事与应用问题有关的研究，如复合材料、热核聚变、石油勘探、集成电路及生物计算等，实验室先后与复旦大学、哈尔滨工业大学、同济大学、北京市交通委员会开展交流合作。
“很多问题需要数学方法来解决，但我们只清楚数学的内容，落实到应用层面还需要寻求外界帮助。”陈志明希望自己与团队在未来一同解决更多实际应用问题。
等待，十年磨一剑
实验室曾承担多项重大基础性科学计算研究项目，比如上世纪90年代的两期“攀登计划”项目“大规模科学与工程计算的方法和理论”（1991～2000年），以及本世纪的3期“973”计划项目“大规模科学计算研究”（1999～2004年）、“高性能科学计算研究”（2005～2010年）和“适应于千万亿次科学计算的新型计算模式”（2010～2015年）的持续支持。
在国家持续支持下，科研人员在计算方法基础研究方面取得了一系列重要成果。在2006~2009年，实验室有三项成果连续获国家自然科学奖二等奖，其中包括袁亚湘和戴彧虹的非线性优化的计算方法和理论，余德浩等的人工边界方法与偏微分方程数值解，以及陈志明的非线性偏微分方程的自适应与多尺度计算方法。
近年来，实验室正在逐步转向重大的前沿性、多学科交叉的科学计算领域。“张晨松博士参与中海油油藏模拟软件开发项目，通过计算方法的进步使得计算软件效率明显提升，计算速度为常用商业模拟器Schlumberger的Ecl2009的两倍多。其受到中海油研究总院的充分肯定。”陈志明强调，他们在此类合作中关注的不仅仅是理论成果，更关注实际效果的发挥。
陈志明希望实验室在某一个或几个研究领域能保持国际领先，并且具有不可替代性。“虽然我们从事的是基础研究，但最终我们的工作将体现到国家核心竞争力当中。既然是科学计算领域唯一的国家重点实验室，我们需要拿出国内其他同行专家难以实现的研究成果，并在国际上能占有一席之地。”他说。
成绩是由其他人评价的，成果则可以通过实际应用来证实。
陈志明坦言：“最高水平的工作是我们努力的目标，只要我们敢于走出自己的圈子，寻求与应用问题结合，通过持续不断的努力，总有证明自己的那一天。”
2001年，陈志明从美国访问回国，决定要做电磁场自适应有限元计算。从瑞士学者的电磁场多重网格算法受到启发，他认为自己的团队可以实现这样的计算。于是，他和实验室副主任、并行计算领域专家张林波商量，确定可行。
虽然当时科研进展受到条件限制，但通过借鉴国外的软件方法和技术，他们最终以两篇论文的形式发表了电磁场自适应计算方法成果，该项工作被国外学者认为是“拟稳态电磁场时空自适应计算的第一个工作”，并且“从实用观点看，离散误差的自动控制相当有吸引力”。
这些工作为后来的三维并行自适应有限元软件平台PHG的研究提供了参考依据。从最初决定做，到成果发表，经历了7年时间。
他们并不满足于文章的发表，在PHG平台基础上，实验室的郑伟英博士最近和保定天威集团合作，将电磁场自适应有限元方法的成果应用到变压器电磁涡流损耗的计算模拟中。
实际上，科研人员和天威集团专家的讨论交流10年前就开始了。付出10年的努力，陈志明认为：“10年能出来一个让人比较满意的成果，我们很欣慰。如果下一个成果还需要10年，我们还会继续努力。”
《中国科学报》 (2013-07-23 第8版 平台)