高性能计算在基础科学研究中的应用 -...

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PERSPECTIVEe-Science 论坛科研信息化技术与应用第2卷第4期 2011年7月

高性能计算在基础科学研究中的应用

基础科学研究是高性能计算最主要的应用领域之一。本文基于上海超级计算

中心在科学计算方面的实践，介绍了高性能计算在计算化学、固体物理和纳

米材料、计算生物学和药物设计、天文物理等几个主要领域方面的应用，并

对其应用特点进行了分析。

高性能计算；基础科学；应用

摘要：

关键词：

Application of High Performance Computing in Basic Scientific Research

Basic scientific research is one of the most important application field of High Performance Computing (HPC). Based on the practices of HPC in Shanghai Supercomputer Center (SSC), this paper introduces applications of HPC in differently basic scientific research fields such as computational chemistry, solid state physics and nano materials, computational biology and drug design, and astrophysics, etc..Characteristics of these applications are also analyzed.

High performance computing; Basic scientific research; Application

Abstract:

Keywords:

王普勇，王涛上海超级计算中心，上海 201203

Wang Puyong, Wang TaoShanghai Supercomputer Center, Shanghai 201203, China

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PERSPECTIVE 论坛e-Science科研信息化技术与应用第2卷第4期 2011年7月

1. 引言

理论推导和科学实验长期以来一直是人们研究

和探索自然的两大方法，但随着高性能计算技术和

应用的迅猛发展，计算模拟已成为科学研究中不可

缺少的第三种方法。高性能计算在基础科学研究、

工业工程、公益事业、国防安全等各个领域的广泛

应用，解决了一些重大、关键、挑战性的重要科学

和工程问题，对支撑科技创新、推动经济发展起到

了重要作用。

近年来，高性能计算的应用需求增长很快，其

发展速度远远超出了人们的预期。据统计，高性能

计算应用需求增长每年翻倍，10年增长1000倍。以

上海超级计算中心为例，首台超级计算机神威I于

2001年1月投入运行，总计算能力为3,840亿次，

共480个CPU，约21月后用满；第二台集群架构超

级计算机曙光4000A于2004年12月投入运行，总计

算能力为10万亿次，共2,128个CPU，约13个月后

用满；目前使用的集群架构超级计算机魔方（曙光

5000A）于2009年7月投入运行，总计算能力为200

万亿次，共26,000个CPU，约8个月后用满，基本与

世界平均发展速度吻合。

基础科学研究是高性能计算最主要的应用领

域之一。过去的几十年里研究人员在化学、材料科

学、生命科学、固体物理、生物物理、生物化学、

药物研究等微观领域的研究中，基于量子力学方法

发展了大量而可靠的非相对论薛定谔方程和相对论

迪拉克方程的近似解法，用来模拟微观世界中原子

和分子的相互作用和行为。例如，使用并行程序进

行密度泛函理论（DFT）计算已经成为材料科学、

固体物理、计算化学、计算生物学等领域内必不可

少的研究手段之一；并行实现的高精度耦合簇理论

（CC）和组态相互作用（CI）方法被许多量子化学

计算程序采用，成为计算化学的主要工具；基于牛

顿力学并结合了量子力学的分子动力学计算的并行

实现，是生命科学、生物物理、生物化学、药物研

究等领域的主要模拟手段。随着更强大、更高计算

能力的超级计算机的出现，人们可以模拟越来越大

规模的微观系统、越来越长时间的微观过程、越来

越精细的微观现象，从而极大的增强了对自然的认

知能力。

本文基于上海超级计算中心在科学计算方面

的实践，介绍了高性能计算在计算化学、固体物

理和纳米材料、计算生物学和药物设计、天文物

理等几个主要领域方面的应用，并对其应用特点

进行了分析。

2. 计算化学应用

传统的计算化学主要是研究原子和分子尺度的

小分子体系的行为和相互作用。在这个领域里使用

的计算理论主要包括Hartree-Fock方法（HF）、

密度泛函理论（DFT）、多体扰动理论（MBPT）、

组态相互作用理论（CI）和藕合簇理论（CC）等。

这些方法根据对体系能量处理方式的不同，主要分

为两类。第一类方法采用有效的单电子模型，提供

精确的单电子能量函数，对其他部分的能量做近似

处理。比如Hartree-Fock方法（HF）和密度泛函

理论（DFT）就属于这一类。它们计算速度快，并

行度好，但精度有限，主要用于计算较大体系和定

性计算。另外一类称为后Hartree-Fock方法，用较

为精确的方法处理双电子相互作用。例如多体扰动

理论（MBPT）、组态相互作用理论（CI）和藕合簇

理论（CC）就属于这一类，它们主要用于计算较小

体系和定量计算。这些方法的计算准确性高，计算

时间比较长，对内存和硬盘空间的要求比较高。目

前实现的计算程序中，这些方法的并行效率和扩展

性都不高，甚至很多程序包中没有实现这几种方法

的并行计算。

在计算化学领域里，大多数研究对于计算的需

求主要是容量计算的需求，计算任务非常多，但单

个计算的计算资源需求较少，计算的并行度不高，

运行的时间并不会太长，内存需求和用于存放临时

文件的硬盘空间需求较大。因此，在化学领域的计

算中，并行加速的需求并不太大。在程序实现中，

较为简单的OPENMP和跨计算节点MPI的并行实现都

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会采用。例如使用最为广泛的计算程序GAUSSIAN，

只采用OPENMP进行并行实现，而计算程序MOLPRO和

NWCHEM则通过MPI进行并行实现。

目前应用比较普遍的计算化学程序包括

GAUSSIAN、NWCHEM、MOLPRO、QCHEM、GAMESS

等等。研究内容包括化学反应过程和机理、催

化机理等。例如，复旦大学化学系通过计算模

拟发现了Fischer-Tropsch反应催化的重要机

理：在富碳条件下，分解一氧化碳的能力是好的

Fischer-Tropsch反应催化剂的关键因素[1]。

Fischer-Tropsch反应可以将一氧化碳和氢气的

合成气转化为具有较高分子量的碳氢化合物，这

样就可以通过这个反应路径，利用天然气或煤来

制造燃料或具有更高价值的有机化合物例如汽油

等，如图1所示。

中国科学院（以下简称中科院）武汉物理与数

学研究所采用最新的1H二维双量子魔角旋转和其

它NMR实验技术, 并结合量子化学计算，对HY沸石

分子筛催化剂进行了研究，研究结果为进一步从原

子分子水平上研究分子筛酸催化反应的机理打下了

基础[2]。HY沸石分子筛催化剂广泛应用于石油化工

中的裂化、异构化等重要酸催化过程。清华大学化

学系通过高分辨的光电子能谱和相对论量子化学计

算，获得了Au(CN)2-及其同系物的精确电子结构，

在微观层次上对于Au(CN)2-特殊的稳定性给予了

清晰的解释[3]。这种金配合物自远古以来就被用于

金的提炼。复旦大学化学系利用周期性密度泛函理

论集成了新的过渡态搜索技术，通过计算彻底解

释了乙醇在金属铂上氧化的反应机理[4]，如图2所

示。彻底理解这种基础反应将极大的有益于催化剂

的设计，可用于直接乙醇燃料电池的开发和生物质

产生的含氧化合物的降解。

清华大学化学系与复旦大学化学系合作通过对

各种反应过渡态、反应途径及产物的红外光谱进行

的量子化学理论计算发现了金属原子与甲醇的反应

产生氢气的反应机理[5]。这项工作指出了催化剂设

计的一个新途径，为从甲醇中催化制备氢气提供了

新的方向。

3. 固体物理和纳米材料应用

固体物理和纳米材料领域研究的体系比计算

化学研究的体系要大一些。它的空间尺度一般可以

从原子到微米尺度。在原子分子层次（埃到数百纳

米的量级，10-10到10-7m），人们可以了解材料的

电子，光学，磁性，热学，力学等基本物理化学性

质，主要计算方法是第一性原理计算和分子动力学

方法，蒙特卡洛方法也常有应用。从纳米到数百微

米的尺度(10-9到10-4m)，人们可以了解晶体、高分

子材料生长、有机分子自组装以及掺杂、位错、晶

界等晶体缺陷现象。主要采用的方法是分子力场和

分子动力学方法。

在固体物理和纳米材料领域，根据体系的空间

尺度，在类似计算量的前提下，采用的计算方法各

有不同。在原子分子层次，主要采用高精度的量子

化学方法，如前文提到的后Hartree-Fock方法：

多体扰动理论（MBPT）、组态相互作用理论（CI）

和藕合簇理论（CC）等。对于几十个到甚至几百

上千个原子的体系，人们一般使用密度泛函理论

（DFT）进行计算模拟。一般人们把密度泛函理论

认为是第一性原理的从头计算（ab init）法，但

Fischer-Tropsch

CO+H2

CHH

CH4

Ru

Rh

图1 Fischer-Tropsch反应原理示意图

图2 乙醇在金属铂上氧化的反应机理

Fuel Cell anode

CH3CHO

CO2

CH3CH2OH

Pt{111}

Pt{211}

Pt{100}

CH3COOH

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由于该理论中赝势函数的确定采用的是经验或半经

验的方法，因而也有人把它归于半经验理论方法。

密度泛函理论的主要优点在于（1）计算速度快：

在大多数密度泛函理论的实现程序中，计算的时间

复杂度基本与计算体系电子的个数呈线性增长，

因而即使是计算很大的体系，也能够在较短的时间

内得到结果。基于这个特点，这个方法被广泛的

应用于需要研究较大体系的固体物理和纳米材料领

域，甚至在生物大分子领域也有应用。（2）准确

度好：该方法的计算结果一般优于Hartree-Fock的

计算结果，而计算时间与Hartree-Fock基本相当。

虽然与更复杂的组态相互作用方法、多体扰动理论

方法和藕合簇方法相比，该理论计算结果准确度略

有不足，但考虑到上述复杂方法的超长计算时间，

DFT方法的准确度已经被广泛的接受。（3）并行性

好：在密度泛函理论的大多数程序实现中，都已经

采用MPI的并行方式进行计算模拟，并且程序并行

性和扩展性都比较好，能够进行大规模的计算。对

于几百到更大的成千上万原子的体系，则是分子力

学的用武之地。模拟这类体系的应用软件，直接以

原子或离子为处理对象，使用实验或以上两类计算

中得到的参数来拟合力场数据，然后进行分子动力

学模拟，蒙特卡洛计算，或解析求解经验公式。使

用这类软件计算的精度，则依赖于力场的准确程度

和可迁移性。

目前，主要应用于固体物理和纳米材料的计

算软件包括：VASP、Siesta、Wien2k、dmol3、

CASTEP、Abinit、PWscf (Quantum ESPRESSO)、

CP2K、CPMD等等。根据国家重点基础研究发展计

划，材料科学领域的研究主要在新型储能和清洁高

效能量转换材料、信息功能材料、生物医用材料、

环境净化材料与放声材料、纳米材料、材料的服役

行为及与环境的相互作用、基础材料改性优化、新

一代结构材料以及新材料设计与探索几个方面。而

高性能计算在材料科学中的应用也正集中在这几个

方面。例如，上海应用物理研究所通过运用分子动

力学模拟方法，利用仿生的思想，参考生物水通道

中分布在重要氨基酸残基上的电荷分布，利用特定

半径的纳米碳管，设计出使管内水分子定向运动的

纳米尺度水泵，并阐明了相关的物理机理，预言

了有一种最佳的电荷排列方式会使得水被泵向所

需的方向[6]，如图3所示。该研究成果对于设计用

于污水处理、海水净化以及生物芯片上的高效纳

米水泵具有一定的启示性，为未来纳米泵的设计提

供了蓝图。

复旦大学物理系通过计算发现按钻石晶体结构排

列的硼碳氮化合物具有比立方氮化硼更强的硬度[7]，

如图4。此处的计算发现和以往人们在理论上的认

知：按钻石晶体结构排列的硼碳氮化合物不如立方

氮化硼硬，是完全相反的。但此处计算结果获得了

实验结果的支持。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验

室结合扫描隧道显微学实验和第一性原理的理论计

算，首次阐释了构建单分子负微分电阻（NDR）器

图3 电荷驱动的分子水泵

图4 钻石晶体结构排列的硼碳氮化合物

(a)

(b) (c)

C

B

N

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件的一种新的机制[8]，如图5。实现单分子功能器

件一直是单分子科学领域的重要研究内容。这一新

颖的NDR机制提供了一个新思路，有望从分子轨道

层次上来更精确和更可控的实现单分子功能器件。

中科院物理所通过利用高分辨原子力显微镜与

第一性原理计算相结合的方法，对PTCDA这一有机

半导体原型分子在NaCl绝缘体表面的生长模式进行

了研究[9]。通过理论计算与实验结合该研究澄清了

一种有机功能分子在典型绝缘体表面生长的重要一

步，即去浸润生长以及这种生长机制的原因。该项

研究结果发现了一种新的分子多层膜生长模式，为

组装实用化分子器件的研究奠定了良好基础。上海

应用物理所运用分子动力学模拟方法，实现了对纳

米管内水和生物分子混合体位置的操控[10]，如图

6。这项发现将成为实现纳米管中的实验室（lab-

in-nanotube）构想的关键技术，并有望在纳米技

术、生物科技等领域得到广泛应用。

4. 计算生物学和药物设计应用

在计算生物学和药物设计方面，基于谱学等技

术的生物物理实验方法在理解生物分子结构及其功能

运动方面起到了相当重要的作用。然而，即使是最先

进的实验手段，其时间分辨能力与空间分辨能力仍相

当有限。基于计算机模拟的理论方法，特别是基于全

原子水平的分子动力学模拟，能够给出原子水平的空

间分辨能力以及飞秒量级的时间分辨能力，从而能够

使人们从原子的尺度上理解生物分子的功能运动及其

结构基础。目前，基于计算机模拟的理论计算已经是

生物物理领域的一个必不可少的常规手段，它与实验

方法相辅相成，共同促进了生物物理学的快速发展。

生物体系涉及到生物大分子内部以及生物大分子间极

其复杂的相互作用。同时，溶剂以及其它的复杂环境

因素对其功能运动有着决定性的影响。因此，要从原

子水平精确理解生物体系的运转机制，必须要尽可能

图5 单分子负微分电阻器件的一种新的机制：局域分子轨道的空间对称性匹配

a Voltage=0 V

vacuum

Ni tip

LDOStip LDOStip LDOStipLDOSCo LDOSCo LDOSCo

Ni tipNi tip

Ausubstrate

Ausubstrate

Ausubstrate

totaldz2

dxz

e-

e-

CoPc CoPc

vacuum

vacuumEF EF

EF

EF

EF

EF

Voltage=-0.3 V Voltage=-0.9 Vb c

图6 纳米管内水滴-生物分子混合体位置的操控

12

8

4

0

0 4 8 12Time (ns)

external chargepeptidepeptide-water mixlure

-4

19


真实的体现溶剂，以及复杂环境因素的影响，这些因

素的考虑进一步增加了问题的复杂性，常规的简化描

述（如粗粒化模型）或解析描述是远远不够的。必须

采用全原子水平的长时间尺度的模拟计算。这些计算

在一般的个人电脑上是远不能实现的，必须采用高

性能并行计算。现在，高性能计算已经成为理解复

杂生物现象的重要手段。在生物物理学领域里，HPC

的计算特点具有多样性，不是一种容量计算。生物大

分子模拟研究，由于涉及到很长的时间演化，对计算

速度需求较高，也就是说需要大规模的并行计算。计

算中会产生海量的高度相关数据集合，需要对读写速

度有较高的要求。同时，生物大分子模拟计算通常需

要长时间的稳定运行（几个月），这对硬件的运行稳

定性要求较高。另一方面，对于生物信息统计方面的

研究，还需要有高的内存容量。生物大分子模拟领域

的研究，目前已经有成熟的商业化软件，如AMBER、

CHARMM等。这些程序都是可以提供并行计算的。另外

用于序列分析等软件也是高度并行化的。

目前，在计算生物学和药物设计领域里应用比

较广泛的计算程序包括：AMBER、CHARMM、GROMACS、

LAMMPS、DOCK等等。这些研究主要集中在蛋白质行为

的模拟、药物分子的筛选和基因测序等方面。例如，

中科院上海药物所通过计算模拟对蛋白质-蛋白质相

互作用进行了研究[11]，如图7。蛋白质-蛋白质相互作

用（PPI）决定着从转录调节到酶级连反应的几乎所

有的生物功能，这方面的研究具有重要的科学价值和

应用前景。上海药物所发展的蛋白质-蛋白质相互作

用方法为蛋白质功能研究提供了较好的理论工具，是

计算生物学研究领域的重要进展。即使只获得蛋白质

序列信息，他们的方法依然能够用于任意新蛋白的功

能研究或预测老蛋白质的新功能。同时他们的方法也

可能应用于设计新的药物，即设计新的化合物或蛋白

质调控蛋白质相互作用网络，而不是抑制或激动单一

的靶标蛋白。

南京大学物理系通过计算模拟在蛋白质折叠动力

学研究方面取得重要进展[12]。他们的工作利用大规模

计算机模拟首次理论研究了金属辅助因子诱导的蛋白

质折叠问题，如图8。蛋白质折叠是生物学中心法则

中至今仍未解决的一个重要环节。他们的工作发展了

一套描述金属离子与蛋白质相互作用的理论模型，在

该模型中通过将量子化学的计算结果整合到经典的分

子动力学中，从而能够描述金属离子与配位原子间的

电荷转移，以及金属离子诱导的去质子化等效应，同

时还考虑了金属离子诱导的极化效应。这一模型的建

立使得基于计算机模拟研究金属离子耦合的蛋白质动

力学过程成为可能。该工作对金属辅助因子诱导的蛋

白质折叠的一般规律有了深入的认识。所建立的理论

模型可以用于金属离子诱导的蛋白质折叠、聚集以及

其它功能运动等常规分子动力学模型无法描述的蛋白

质动力学过程。

图7 仅根据蛋白质的序列预测蛋白质-蛋白质相互作用

90

80A

B

C

75

70

65

60

55

x=-2,y=7z=8237

80

70

60

509

75

log2 (C)

log2 (g)

31-1

-3 -3 -2 -1 01

2 3

Pred

ict a

ccur

acy

(%)

20


人类基因组南方研究中心通过高性能计算与实验

相结合，在国际生物医学界上首次对一个多细胞人体

寄生虫进行了全基因组测序和功能解析[13]。这项研究

发现血吸虫基因组由近4亿个碱基组成，含有40.1%的

重复序列，包括新发现的具有转录活性的反转座子25

个。研究工作代表了第一个扁形动物基因组序列，是

寄生虫研究史上的里程碑，在2009年7月16日出版的

国际著名学术刊物Nature上作为封面文章发表。复旦

大学化学系通过分子动力学模拟在蛋白质动力学研究

方面取得重要进展[14]。他们的工作表明了蛋白质的动

力学行为对功能的直接影响，并且结构域之间在行使

功能时具有相关性，如图9。这项工作首次发现了结

构域之间大范围的构像动力学变化可以调节蛋白质与

配体结合的强度和选择性。

中科院上海药物所通过计算模拟在与糖尿病相

关的葡萄糖激酶构象变化机理研究取得进展[15]，如

图10。葡萄糖激酶是调节血液中葡萄糖水平的重要

酶，主要分布于肝细胞和胰岛细胞中。他们通过对

葡萄糖激酶进行大规模的分子动力学模拟研究，对

葡萄糖激酶激动剂作用原理与其自调节变构酶的机

制进行深入系统的阐述。葡萄糖激酶过渡态的机制

合理地解释了当前临床常见的突变型病人的特征。

这些研究结果为阐述葡萄糖激酶在体内通过自身构

象变化调节血糖水平的作用机理以及葡萄糖激酶激

动剂的设计奠定了基础。目前，上海药物所科研人

员正根据葡萄糖激酶理论模拟结果，进行抗II型糖

尿病新药的设计。

5. 天文物理应用

天文物理的研究对象为宇宙中的各种天体。与其

它学科相比，这些研究对象具有以下特点：一、极端

的物性参数和环境，比如密度、粘滞性、温度、压强

等；二、极大的空间尺度范围，其空间尺度涵盖从行

星、恒星、星系乃至整个宇宙一百多亿光年的范围；

三、极长的演化时间，从宇宙的起源延续至今的时间

长度。在宇宙形成早期的几亿年时光里所发生的物理

过程，从数学描述来说基本上是线性和准线性的，而

后在宇宙大尺度结构形成、星系和星系团形成、超大

质量黑洞形成、恒星和行星系统形成的相继演化过程

中，则表现出了强烈的非线性。对于这些占据极大部

分宇宙演化时间的强非线性天文问题，由于理论和实

验手段的局限性，数值计算尤其是高性能计算（并行

计算）已成为研究中不可或缺并且越来越重要的手

段。超级计算机硬件的快速发展，使天文学研究中的

计算能力达到了前所未有的高度，表现为：在空间

上，数值模拟可以研究更大空间范围的天体演化和更

精细的天体结构；在时间上，可以在有限计算时间内

模拟更长时间的天体动力学过程；在求解域上，可从

求解单物理量方程扩展到求解多物理量耦合方程组，

并且可采用更逼近真实的物性参数；在应用范围上，

从模拟天体物理过程扩展到了海量数据的分析和处理

等。可以说，在当今天文学的各个分支，例如恒星与

行星的流体和磁流体动力学、宇宙学、等离子体天体

物理、相对论天体物理、数据分析和数据处理等，几

图8 金属辅助因子诱导的蛋白质折叠

图9 蛋白质的动力学行为对功能的直接影响

a

b

bE

21


乎都可以见到高性能计算的身影，并且随着超级计算

机的不断发展，高性能计算在天文学研究中的应用领

域也不断拓展。

目前，在上海超级计算中心主要应用于天体物

理研究的计算程序包括一些自编代码和开源代码如

GADGET2、COSMOMC等。这些计算使用的计算资源较

多，单个作业的计算规模相当大，主要表现为一种

能力计算。在上海超级计算中心平台进行天文物理

计算模拟的研究组包括上海天文台、国家天文台、

中科院高能物理所等。例如，上海天文台在球壳型

孔隙媒介中的水热对流解析以及它的直接三维数值

模拟研究中，取得了重要进展[16]。他们的工作首次

对球形对流的现实物理问题进行了数学分析，得到

了对流流动的结构。此外，他们的工作也首次得到了

水热球形对流解析解和直接数值模拟相一致的结果。

作者们的数学分析和数值模拟发现在微行星体和冰质

卫星中，水通过球壳型孔隙媒介的循环模式有很多类

型。中科院高能物理研究所和国家天文台通过计算模

拟与实际观测相结合用宇宙微波背景辐射检验 CPT

守恒定律。理论物理学家们一直不断尝试着找到一个

将量子理论和相对论结合起来的理论，在这个过程中

得到一些迹象说明CPT对称性是要被破坏的，虽然这

一对称性是现代物理学的基础[17]。他们的研究发现

了检验这个基本对称性是否被破坏的一种新方法，这

个方法需要用到对宇宙大爆炸（Big Bang）所遗留

下来的宇宙微波背景辐射（CMB: Cosmic Microwave

Background）的测量数据。他们通过分析得到的结

果显示CPT有很小的破坏，但是这个效应并不显著，

180°

180° 180°

180°180°

8070

60

5040

3020

10

0 200 400 600 800 1000Time (px)

Arg

le (d

iget

)

180°

D9°

D50°D40°

D46°

D55°

D47°

图10 变构过程中人类葡萄糖激酶的构象转化路径

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收稿时间：2011年5月20日

作者信息

王普勇

上海超级计算中心副主任、兼任国家科技部863重大项目“高效能计算机及网络服务环

境”总体专家组成员，高级工程师。主要研究方向为高性能计算应用及其服务。

王涛

上海超级计算中心应用技术部部门经理，高级工程师，博士。主要研究方向为高性能计

算应用及其服务。

13368-13373.

[16] Z. F. Dai, et al. Hydrothermal convection in moderately

thin spherical shells [J] . Phys. Rev. Lett., 2008, 101,

028501.

[17] B. Peng, et al. Searching for CPT Violation With

Cosmic Microwave Background Data From WMAP

and BOOMERANG [J] . Phys. Rev. Lett., 2006, 96,

221302.

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