Rene Chun

科学家和超级计算机如何联手将海水变成饮用水

去除海水中的盐是一项艰巨的挑战。研究人员可能知道答案,但这需要大量的计算处理能力才能完成。

Aleksandr Noy 对一种极微小的工具有着远大的计划。作为劳伦斯利佛摩国家实验室的高级科研人员,Noy 在职业生涯中投入大量精力,希望能改善海水淡化技术,更有效地去除海水中的盐分,而他深信碳纳米管正是解决之道。2006 年,Noy 大胆采纳了一个激进的理论:纳米管这种小到只有用电子显微镜才能看到的圆柱体,也许可以用作海水淡化过滤器。而这一切都取决于纳米管的宽度。纳米管开口需要大到能让水分子通过;但也要小到可以阻挡导致海水不可饮用的较大盐颗粒。将足够多的碳纳米管组装到一起,就有可能制造出世界上最高效的水净化处理机器。

碳纳米管到底有多小?

蛛丝的宽度

4000 纳米

50 个碳纳米管

每个 0.8 纳米

实验室的大多数同事认为他的这种想法过于科幻,不切实际。Noy 说:“很难想像水要怎么通过如此细小的管道。”但如果纳米管理论是正确的,其效益将无法估量。世界上许多地区正面临饮用水短缺的问题;有 12 亿人(约全球六分之一的人口)居住在水资源匮乏的地区。海水淡化有助于解决这一问题,但现有的基础设施需要大量能源(也就需要大量资金)才能加热海水,或将海水引入复杂的过滤器。如果纳米管过滤器有效,则有可能极大地缓解世界的水资源短缺问题。

Noy 的团队设计了一个简单的过滤实验并让其彻夜运行。隔天早上,两名助手注意到实验室地板上有一洼水;这说明水流过纳米管的速度太快,以致于用来装水的小储水罐都满到溢出来了。研究人员后来证实,水流过碳纳米管的速度,比如今海水淡化厂水流经过滤器的速度高出六倍。

那个水洼也许很小,但却是 Noy 职业生涯中最大的发现之一。“这个实验令人振奋,”他回忆道,“因为没人知道会发生什么。”现在,大家都知道实验结果了,但我们仍面临巨大的挑战。如果有足够的计算能力,或许就能克服这一挑战。

幸运的是,科学家即将开发出百万兆级计算系统(Google 很可能会以通过云端连接大量计算机的方式来实现这个目标)。百万兆级计算会使当今功能最强大的超级计算机相形见绌。这种极致的处理能力将成为研究人员的巨大资产,帮助他们研究如何将纳米管变成大型海水过滤器。这些纳米管以及流经纳米管的数十亿分子实在太小了,让人难以深入研究,而要实际测试各种变数则是既困难又费时。只要通过百万兆级计算机建模,就能更详尽地探究这些微小的纳米管,大大加快纳米管海水淡化研究的进度。事实上,这项技术将有助于解决当今许多最棘手的环境问题。

百万兆级计算能力的前景

速度大幅提高有助于克服曾经看似不可能的挑战,并带来重大突破。

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    药物研发

    想像一下,研究人员从上万亿种药物组合中,为每个人找出最适合的专属治疗方法。

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    天气预报

    气象学家能够处理大量数据以跟踪恶劣天气,并提前多达四周向可能会受恶劣天气影响的人们发出警报。

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    语言翻译

    实时语言翻译可能成为智能手机的常见功能。

为不熟悉硅谷行业术语的人解释一下,百万兆级计算能力指的是下一代超级计算机所提供的计算能力。百万兆级计算机每秒能够处理百亿亿(十亿个十亿)次计算。这比当今计算速度最快的超级计算机 - 中国的神威·太湖之光强大近 11 倍。换个方法解释,这大约等于 5 千万台联网的笔记本电脑的处理能力。

全世界都在竞相打造第一台百万兆级计算机。这种计算机可让科学家以全新角度重新探究从理论物理学到长期天气预报等各种领域。而像 Noy 在做的这种纳米管研究,很可能会是最先发挥强化计算能力优势的若干项目之一。

Google Brain 团队的科研人员 George Dahl 表示:“计算能力的飞跃发展,会对材料科学、药物研发和化学领域带来莫大的助益。”Dahl 解释道,所有这些领域的研究都需要构建分子的计算机模型,而这需要大量计算处理能力才能完成。“我们要分析的每个分子或每种材料,都需要经过漫长耗时的计算。”

但还不止这些,他补充道。如果能将机器学习(它也同样会因计算能力的提升受益)运用到分子模拟上,则会事半功倍。“你可以在材料科学研究中结合使用机器学习,来发现全新材料。”

正是由于上述各领域的进步,品质更好、成本更低的海水过滤器才得以问世。除此之外,百万兆级计算还可以通过其他方式帮助改善地球水资源短缺的问题。

由于百万兆级计算在处理大量数据方面也有杰出表现,因此可为海水过滤这类项目提供帮助。海水过滤项目是由 Google 工程师 Noel Gorelick(兼 Earth Engine 平台的联合创始人),联手该平台负责水资源分析的高级开发技术推广工程师 Tyler Erickson 共同开展。这个云端平台会分析全球的环境数据。Gorelick 和欧盟委员会联合研究中心最近主导开展了一项雄心勃勃的计划,力图制作出高分辨率的全球地表水地图。研究团队通过使用 Earth Engine 数据查看 30 多年来的卫星图片,对这些年来地球水体的演变进行对应及测量,揭露出消失的湖泊和干涸的河流,以及新形成的水体。即使所有必要数据都已完成,仅仅是下载这些数据,一般的运算处理系统就得花费三年的时间。Erickson 表示,这是相当庞大的档案,但百万兆级计算系统可协助团队以大幅提高的速度收集更多信息,从而制作出更准确的地图。

Erickson 说:“如果拥有更强的处理能力,我们还可以查看其他数据来源。”他指出,百万兆级计算机有潜力激发世界上最被低估的资源:公民科学家。假设任何操作无人机来拍摄高清视频的公民都可以参与这项水资源地图绘制项目,“那么会收集到数量相当惊人的数据。”他说道。高中生可以操控 DJI Phantom 无人机飞越河流和河口,并将拍摄的视频上传到 Google Cloud,进而通过百万兆级计算能力输出成 Google 基本世界地图的地理参考文件,经分析提取成数字制图。这种科学大众化的实践有助于农业规划、区域防灾准备,甚至可以帮助监控生态变化。(为鼓励其他组织机构发展类似项目,Google 于 2014 年宣布捐赠 1 PB 的云端存储空间用于存储气候数据,以及 5 千万个小时的 Google Earth Engine 平台计算。)

Dahl 很快补充道,处理能力的飞跃发展并不能解决所有计算方面的挑战。但他也表示,真正能将这项能力的好处最大化的应用,我们现下可能还想象不到。他用显微镜的发明打了个比方,显微镜为人类带来许多可挽救生命的新发现。他说:“也许我们从未考虑过的用途,会突然变得无比实用。也许超级计算机能让我们制造出像显微镜一样的全新工具,转而带给我们全新的发现。”

地球上只有 3% 为可饮用的淡水

而我们能取用的只是其中一小部分

地球上的淡水总量 遗憾的是,几乎所有的淡水都封在冰川、极地冰盖和地下深处。

高性能计算的衡量单位是每秒浮点运算次数 (FLOPS)。从笔记本电脑到世界最快的超级计算机,任何计算机都适用这项指标。FLOPS 越高,意味着处理速度越快;处理速度越快,意味着分辨率越高(或者说能够看到更细微的东西);分辨率越高,则意味着计算机模拟图片和预测更准确。这对像美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 这样的机构尤其有用,该机构会使用计算机预测天气模式、气候变化以及远洋和沿岸洋流的阻断情况。

百万兆级系统每秒可执行 1018(十亿个十亿)次计算。

NOAA 希望能在 2020 年代用上百万兆级系统。NOAA 高性能计算与通信部门副主任 Brian D. Gross 表示:“这种系统能让我们提早更多时间,向人们提供更准确且范围更精确的恶劣天气警报,让生命和财产受到更完善的保护。”科学家能够更早、更从容地预测出极端气候事件(例如毁灭性的飓风),协助人们做好防范,使整个地区的受损程度和死亡人数降至最低。

为了说明这种计算能力规模,Gross 解释道,他们的部门在 2000 年代使用的是每秒执行一万亿浮点计算的系统,可准确跟踪约相当于一个州规模的大尺度天气特征;而现在使用的是每秒执行一千万亿次浮点计算的系统,可准确跟踪相当于一个郡规模的天气特征。百万兆级计算能力将能让 NOAA 跟踪更精细的小尺度天气特征,例如准确地找出范围小至某个县市的雷雨。这种分辨率级别可提供更多信息,让研究人员进一步了解各种规模风暴的动态和发展模式。Gross 表示:“分辨率较高的模型可以更准确地描绘大尺度的天气系统(例如飓风),从而改进降雨量和风暴路径的预测结果。”换言之:几年后,如果气象预报员还无法准确预测未来 5 天的天气,那他们可就难辞其咎了。而我们则能够更清楚地掌握以后每一场超级风暴的动向,了解风暴将在什么时间侵袭什么地方。

百万兆级计算能力可帮助解决淡水短缺问题

在计算速度更快的超级计算机的帮助下,研究海水淡化和去污过滤器的研究人员将能增加全球的饮用水量。

获取淡水是全世界面临的一大挑战。从地下水资源枯竭的沙特阿拉伯、土壤干裂的巴西,到素有美洲粮仓之称却因干旱肆虐而地表龟裂的北美大平原,大规模缺水危机正在逼近。一份 2012 年的美国情报报告推断,淡水短缺问题甚至会影响国家安全。预计到 2030 年,全球淡水需求量会比供应量高出 40%。

全球变暖、雨量减少、人口增加、污染加重和贫穷加剧,这些攸关人类基本需求的挑战表面上看似无法克服。但 Aleksandr Noy 仍坚信,百万兆级计算机可以帮助他造出纳米管膜来过滤水及拯救世人。他表示:“借助如此强大的计算能力,我们可以在开始实验之前快速模拟各种情况。这真的很有帮助,因为这能让我们将精力放在真正重要的实验上。”此外,还有许多问题需要弄清楚:要让水通过纳米管,纳米管的精确尺寸应为多少?最适合嵌入大量纳米管的膜材料是什么?应该如何排列纳米管?Noy 的同事,博士后研究员 Ramya Tunuguntla 表示:“尽管许多纳米管建模研究可以先进行模拟操作,但数字仍有不一致的地方。这是我们必须要克服的挑战。”与 Noy 一样,她也认为,更强大的超级计算机能让他们的研究更上一层楼:“通过百万兆级计算能力,我们可以运行更长时间的模拟操作,从而收集更多数据。”

利佛摩实验室将于 2023 年安装一台新的计算机。这台名为 Sierra 的计算机所具备的数字处理能力是当前系统的 4-6 倍。有了这台计算机,我们离百万兆级计算能力可能就只差一步了,到时,向那些需要每秒百亿亿次计算才能处理好的华美高清图片抛个媚眼还是没问题的。事实上,百万兆级计算系统可能在那之前就会以其他形式问世。利佛摩国家实验室的一名顶尖研究人员表示,第一台百万兆级计算机将于 2020 年左右在美国问世,然而在这场超级计算机竞赛中处于绝对领先地位的中国则声称,会在今年晚些时候或明年年初发布一款原型机,有些人称之为“超超级计算机”。

Costas Bekas 是两届戈登贝尔奖得主,同时也是苏黎世 IBM 研究实验室的百万兆级计算能力专家。他指出,百万兆级计算能力并非终点,计算能力还会继续提升。他预言,终有一天,计算机建模能让我们超越分子级,进而以原子级研究宇宙万物。

Bekas 表示:“百万兆级计算意味着我们最终能以可接受的时间和精力,探究碳纳米管的运作方式这类极其复杂的事物。百万兆级浮点计算能力无法拯救地球。人类面临的问题太多了。但是,这项技术无疑会让地球变得更适合人居住。”

回到劳伦斯利佛摩国家实验室,Aleksandr Noy 和 Ramya Tunuguntla 将另一个纳米管膜放入测试装置,启动机器,然后收集更多数据。不久的将来,他们以及百万兆级计算能力或许能改善数十亿人的生活。

RENE CHUN是一位作家,现居纽约。他的作品曾刊登在各大报刊杂志上,包括《纽约时报》、《大西洋》、《连线》和《时尚先生》等。

动画:Justin Poulsen
插图:Matthew Hollister

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