01高能物理大科学工程与计算
中国科学院计算机技术专业介绍
中国科学院计算机技术专业介绍计算机技术主要利用计算机理论和技术为根底，结合大科学工程技术中的实际需要，研究和解决工程在硬件/软件的设计、开发，维护等方面的工作。
中国科学院高能物理研究所正在承当的北京正负电子对撞机/北京谱仪、中国散裂中子源、羊八井宇宙线实验、大亚湾中微子实验、空间硬X射线调制望远镜，以及国际LHC合作等大型工程，预研和即将立项的还有ADS工程及北方光源等重大科学研究设施。
这些大科学设施对计算机控制、数据获取与在线数据处理、离线数据的存储与计算，以及数据模拟与处理软件都提出了新的要求和挑战。
此外，高能所依托大科学装置计算技术需要的根底上，也力图在通用的数据密集型计算技术、数据处理与分析智能化，以及网络及防护等领域开掘新的研究方向和技术。
高能所作为我国最早接入互联网的单位，很早就对网络管理及平安技术展开研究，并取得了一批高质量的研究和技术成果，经过多年的积累，在我国信息平安领域占有了一席之地，培养了一批网络平安人才队伍。
作为中国科学院根底研究的最大的研究所，也是中国高能物理研究基地，在计算机技术领域，高能所与国际上建立了非常密切的学术交流机制，与CERN、法国的In2P3-CC、CPPM及日本的KEK，美国的BNL及FERMI实验室计算中心每年均有人员交流。
本学科有如下研究方向：1. 数据存储与共享、网格技术：针对高能物理、中微子及宇宙线实验等产生的PB量级的海量数据，利用新存储技术实现廉价、高效的数据保存，包括并行文件系统，磁盘池及磁带库分级存储技术，利用先进网格、云计算等技术实现数据管理与共享。
2. 计算环境及软件、网格计算：利用高能物理、宇宙线物理产生的数据特点，开发高效能的数据处理环境，利用网格技术实现分散异地的计算资源整合、开发诸如MapReduce的新型云计算技术、志愿计算等。
利用GPU等加速部件处理诸如图像处理及分波分析等数据密集型计算，以及高能物理MonteCarlo模拟、数据处理和分析软件。
国家自然基金学科分类
国家自然基金学科分类
国家自然科学基金的学科分类包括以下几个大类：
1. 数学学科：包括纯数学（如数论、代数学、几何学等）和应用数学（如计算数学、概率论与数理统计等）。
2. 物理学科：包括凝聚态物理、光学、原子与分子物理、高能物理、天体物理等方向。
3. 化学学科：包括物理化学、无机化学、有机化学、分析化学、材料化学等方向。
4. 生命科学学科：包括生物化学与分子生物学、生物物理学、生态学、遗传学、发育生物学、细胞生物学等方向。
5. 地球科学学科：包括大气科学、地质学、地球化学、地球物理学、遥感与地球信息科学等方向。
6. 工程与材料科学学科：包括力学、材料科学与工程、机械工程、电气工程与自动化、计算机科学与技术等方向。
7. 信息科学学科：包括计算机科学与技术、信息与通信工程、系统科学等方向。
8. 管理科学学科：包括管理科学与工程、会计学、统计学等方向。
9. 医学科学学科：包括基础医学、预防医学、临床医学、药学等方向。
以上是国家自然科学基金的一般学科分类，具体的学科细分还有更多。
高能物理数据处理与高性能计算应用
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QCD在太湖之光上的移植
• 单主核单核组多核组（MPI）
• 主要代码框架
• 从核的Dslash操作
请关注10月19日分会报告： 基于申威众核处理器的格点量子色动力学并行加速计算方法
• 从核的若干Krylov子空间求解算法
前沿应用 （QCD、BES…）
科研用户 （中科院、北大…）
格点QCD
物理模拟 公共库与工具
分波分析
超级计算环境
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格点QCD概览
• 描述强相互作用的正确理论是量子色动力学(QCD)
• 格点QCD是从第一原理出发研究
• QCD非微扰性质的方法
• 格点QCD 数值模拟计算是耗费计
算资源最多的科研领域之一
版本 单主核
MPI
时间（s） 57.73 2.27
加速比 25.43
目前的从核优化策略取得了良好
的效果，从核优化版本相较单主 核版本的加速比达到了165倍
在从核优化的基础上，将程序扩 展到16个核组上，相应的单主核 版本程序的数据量也增大16倍。 运行时间有所提升，加速比达
25.43
24
主要工作贡献
• 通过分析LQCD的应用特征及数值特征，首次在神威平台上实现了成功移
植及运行
• 通过使用向量化、指令流水线、寄存器通讯机制等手段在申威26010处
理器上实现了异构众核并行，并实现了不错的加速比
• 在实现从核阵列并行化的基础上，进一步使用MPI实现了多核组连并运
行，以此实现了一定的并行规模 • 下一步将使用stencil技术，增大数据量，进一步发掘LDM与寄存器通讯
吉林大学物理招生专业及目录1
③670 普通物理(力学、电磁学）同等学力加试:可
02 原子分子超快量子调控
④956 固体物理或 957 量子力在 科 目 ④ 中 选 择
03 复杂分子系统中的相互作用
学
与初试不同的科
04 整形脉冲作用下的原子分子过程
目为其中一科，另
05 分子反应的相干控制
一科为原子物理。
06 气相分子和离子激发态动力学
15 单分子动力学
16 单分子量子统计涨落
17 细胞网络动力学 18 非平衡统计物理：地貌和旋 流
复试科目：原子核物 理
070202 粒子物理与原
6
子核物理（学制 3 年）
01 核结构 02 核数据的评价与测量 03 核技术应用
①101 思想政治理论 ②201 英语一 ③647 普通物理(力学、热学、 电磁学) ④853 原子物理
07 分子激发态结构与光谱
08 强场原子分子动力学过程理论模拟
09 动量空间下研究强激光与原子分子
相互作用
10 高次谐波、阿秒脉冲的产生与应用
11 离子-原子、分子碰撞动力学
12 波姆力学在强场物理研究中的应用
13 原子相干操控
14 液相分子超快动力学过程
15 燃烧中的原子分子过程
16 手性分子结构与功能模拟
070208 无线电物理（学
7
制 3 年）
①101 思想政治理论 ②201 英语一 ③647 普通物理(力学、热学、 电磁学) ④852 量子力学
复试科目：微机原 理。
①101 思想政治理论
复试科目：固体物
②201 英语一
理。
③647 普通物理(力学、热学、 04-06 招收应数、物
高性能计算的应用领域
高性能计算的应用领域随着科技的不断发展，高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）正在各个领域得到广泛应用。
高性能计算指的是利用强大的计算机处理能力来模拟、分析和解决复杂的科学、工程和商业问题。
本文将探讨高性能计算在不同领域的应用。
一、天气预报和气候模拟天气预报和气候模拟是高性能计算的重要应用领域之一。
气候系统是一个复杂的系统，涉及到大量的数据和复杂的计算。
利用高性能计算技术，科学家们能够模拟气候变化、预测极端天气事件，并提供精确的天气预报，为人们的日常生活和决策提供重要的参考依据。
二、基因组学基因组学是研究生物基因组结构和功能的学科，也是高性能计算的重要应用领域之一。
基因组学研究涉及到庞大的基因组数据和复杂的数据分析。
利用高性能计算，科学家们可以快速地进行基因组测序、基因注释、基因表达分析等，揭示基因组的奥秘，推动生物医学研究和药物开发。
三、物理学和天文学物理学和天文学是高能物理和宇宙学研究的重要领域，也是高性能计算的重要应用领域之一。
物理学家和天文学家通过模拟和计算，可以研究宇宙大爆炸、黑洞、星系形成等宇宙现象，深入探索宇宙的起源和演化。
高性能计算为他们提供了强大的计算能力，使得这些复杂的物理和天文计算成为可能。
四、工程设计和优化工程设计和优化是高性能计算的另一个重要应用领域。
利用高性能计算，工程师们可以进行复杂的工程计算和模拟，提供精确的工程设计和优化方案。
比如，利用高性能计算可以进行飞机设计和模拟，优化飞机外形和翼型，提高飞机的性能和安全性。
类似地，高性能计算也可以用于汽车工程、建筑工程等领域的设计和优化。
五、金融和经济金融和经济是现代社会的核心领域，也是高性能计算的应用之一。
金融和经济领域涉及海量的数据和复杂的计算模型。
利用高性能计算，金融机构和经济研究机构可以进行大规模的数据分析和计算，模拟和预测经济市场的变化，提供科学的金融决策支持。
六、材料科学和化学材料科学和化学领域也是高性能计算的应用领域之一。
高能物理中的加速器科学及其应用
高能物理中的加速器科学及其应用高能物理是研究宇宙与物质本质的学科，而加速器是高能物理实验中最重要的工具之一。
加速器可以加速高能粒子，使其速度接近光速，进而产生高能粒子撞击实验目标，探索物质本质的奥秘。
本文将从加速器的发展历程、加速器的构造及其应用展开，探讨高能物理中的加速器科学及其应用。
一、加速器的发展历程加速器的发展历程可以追溯到20世纪初，最早的加速器是阴极射线管，用来产生电子束。
1909年，欧内斯特·卢瑟福发现了原子的结构中包含正电荷质子的概念。
随后，他提出了原子核的结构，并开创了粒子加速器的研究。
20世纪40年代，人们成功研制出了质子加速器，实现了质子的加速。
50年代初，人们发明了线性加速器，可以将质子加速到更高的能量。
50年代中期，建造了第一台环形加速器——双子座环形加速器。
60年代，建造了欧洲核子研究组织（CERN）的中心环形加速器（译注：也称超导反质子环形加速器），取得了很多重要发现，并证实存在Higgs玻色子。
此后，加速器的种类和能量都不断扩展，例如对撞机、同步加速器、超高能加速器等。
二、加速器的构造加速器可分为线性加速器和环形加速器两种类型。
线性加速器是加速器中能量最高的类型，通常被用于对撞实验。
环形加速器是加速器中最常见的类型，而且可以达到极高的能量，并被广泛应用于粒子物理等领域。
环形加速器分为同步加速器和反向直线同步器（synchrotron）两种。
同步加速器是一种特殊的环形加速器，也称为同步加速器环，由一个或多个脱离的环组成。
被加速粒子必须沿着环的轨道运动，这个轨道由电磁铁产生的强磁场控制。
此外，电子储存环、正负电子对撞机、末端保持环以及单光子源也是加速器的常见类型。
三、加速器在高能物理中的应用1. 发现基本粒子：加速器是高能物理研究的重要工具之一。
通过相互碰撞，加速器会产生许多基本粒子并对其进行研究。
放射性衰变、电离作用、高温高压以及宇宙辐射都可以产生基本粒子。
中国工程物理研究院专业介绍
附：招生专业介绍1、基础数学（070101）本专业是博士、硕士学位授予点。
研究方向及导师：偏微分方程的调和分析方法苗长兴（研究员）谌稳固（研究员）本方向主要是借助于调和分析方法与非线性泛函分析方法（例如：算子插值理论、奇异积分算子理论、函数空间理论、振荡积分估计等）来研究波方程、色散波方程(组)的Cauchy问题及散射性理论、低正则性问题等现代数学的核心领域。
采用的方法与技术是Paley—Littlewood分解理论、Strichartz型时空估计及非线性函数在Besov空间中的估计，特别是Bourgain的Fourier 截断方法、Tao的I-能量方法。
这些问题的研究不仅在数学上有重要的理论意义, 同时对物理的研究和认识亦具有重要的指导作用。
专业课考试科目：初试科目：（1）101思想政治理论（2）201英语一（3）360数学分析（4）801高等代数复试科目：泛函分析与数学物理方程初步2、计算数学（070102）本专业是博士、硕士学位授予点。
研究方向及导师：（1）偏微分方程数值解袁光伟(研究员) 邬吉明(研究员)王双虎(研究员)（2）计算流体力学唐维军(研究员) 何长江(研究员)（3）蒙特卡罗方法及其应用邓力(研究员)（4）数值并行算法谷同祥(研究员)方向1研究：（1）辐射流体力学计算方法，包括流体力学计算格式，结构、非结构网格生成与优化；（2）扩散方程的离散方法;（3）边界元方法及奇异积分计算；（4）微分-差分方程或差分方程理论研究；（5）微分方程的高保真离散方法研究；（6）典型问题的高保真数值模拟研究。
方向2主要进行流体力学方程的数值方法研究，特别是多介质流体力学模型，激波捕捉格式，界面捕捉方法,高分辨率差分格式研究，结构和非结构网格有限体积法和有限元方法研究，数值网格生成与自适应研究等。
方向3主要研究内容有：（1）与时间相关的Boltzmann方程(双曲型)的随机模拟；（2）中子、光子耦合输运问题的求解；（3）输运网格几何构造、输运网格与力学网格的重映。
天文学高能天体物理现象的观测与分析研究
天文学高能天体物理现象的观测与分析研究天文学作为一门研究天体物理现象的学科，对于高能天体物理现象的观测与分析研究具有重要意义。
高能天体物理学涉及到宇宙中的极端环境，包括超新星爆发、黑洞吸积、伽玛射线爆发等等，这些都是极端能量释放的天体现象，对于我们理解宇宙的本质和进化过程具有重要的启示。
在本文中，我们将就高能天体物理现象的观测与分析研究进行探讨。
首先，观测高能天体物理现象是我们了解宇宙的重要途径之一。
通过各种天文观测设备，如望远镜、射电望远镜和伽玛射线望远镜等，科学家可以收集到丰富的天体数据。
这些数据能够提供有关天文物体的亮度、频谱、位置和尺寸等重要信息。
通过对这些数据的分析，我们可以研究太阳系外行星、银河系的结构、星系团的形成和演化等一系列关键问题。
此外，观测高能天体物理现象还可以揭示宇宙中的暗物质和暗能量等无形存在，这些对于理解宇宙结构和演化具有重要意义。
其次，高能天体物理现象的观测还可以提供有关宇宙物理过程的重要信息。
例如，超新星爆发是宇宙中质量较大的恒星结束演化的重要过程。
通过观测超新星爆发的光谱和光度等参数，我们可以了解恒星的光合成核反应、核聚变、核合成等关键物理过程。
此外，黑洞吸积也是一种极端天体物理现象，观测黑洞吸积过程可以揭示黑洞的质量、自转速度和物质吸积率等重要信息。
宇宙中的伽玛射线爆发则是一种极高能的宇宙现象，通过对伽玛射线爆发的观测，我们可以了解宇宙射线加速、星系形成和恒星死亡等基本物理过程。
最后，对于高能天体物理现象的观测与分析研究，需要借助先进的天文观测设备和数据处理技术。
目前，国际上已经建立了一系列的天文观测设备和数据处理平台，如中国科学院的“空间天文科学与技术战略先导专项”和美国宇航局的“仙女座工程”等。
这些项目提供了丰富的数据资源和数据处理工具，为高能天体物理现象的观测与分析研究提供了有力支持。
综上所述，天文学高能天体物理现象的观测与分析研究是一项重要的科学工作。
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• 粒子加速器和探测器的计算机模拟设计：计算密集型 • 粒子探测器观测到的海量科学数据的分析处理：数据密集型 • 高能物理理论研究中的高强度的科学计算：计算密集型
• 20年前: 本地集群
• Beowulf cluster、存储区域网络、局域网
• 15年前, 广域网上的分布式计算
• 网格计算、 分布式存储系统、广域网数据传输
• 10年前，云计算与大数据技术
• 虚拟化、云计算、Map-Reduce，NoSQL、BigTable、…
• 现阶段，新技术融合发展
• 高性能计算、网格计算、云计算、志愿计算、大数据、人工智能、 …
• 每年与欧洲及北美之间的数据交换超
过3PB
高能所站点
• 为Higgs粒子的发现做出了贡献
12
计算资源全面整合
ATLAS PanDA/BESGrid系 统
…
ARC CE Condor Dirac Boinc 资源调度
ScGrid ERA@CNIC
超算
Condor Cluster@IHEP
集群
Openstack Cloud@CERN
11
国内（高能所）WLCG站点
• 1,600 CPU核，640TB磁盘存储空间
（另有~15000CPU核, 16PB存储用 于本地使用）
• 到欧洲和北美10Gb/s网络带宽
• 被评为国际‘Leadership’网格站点
• 站点运行水平名列前茅
• 每年提供超过1000万CPU小时的计 算服务
• 每年完成超过550万个计算作业
~300 PB on tape totally
~200 PB on Disk ~3.3 Bil files ~400GB/s disk IO
6
中国高能物理实验
• 北京正负电子对撞机BECPII
• 已经积累近10PB
• 大亚湾中微子实验
• 200TB/年 • 已经积累1PB以上数据
• 江门中微子实验JUNO
云计算
Desktop Grid CAS@HOME
志愿计算
高能物理应用系统
分布式资源调度
分布式IT资源
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理论物理与格点计算
• 描述强相互作用的正确理论是量子色动力学(QCD) • 格点QCD：从第一原理出发研究QCD非微扰性质的方法
• 对标准模型精确检验和新物理寻找等有十分重要的理论意义 • 中国的BEPCII/BESIII实验也急需格点QCD解释物理实验的最新发现
高能物理大科学工程与计算
高能物理的目标
• 探索物质微观结构、宇宙起源等自然规律、新物理寻找
• 为什么物质有质量？标准模型不能 解释W,Z玻色子为什么有质量
• 为什么宇宙中观测到的物质只有理 论预言的4%？
– 反物质在哪里？为什么自然 界的正反物质是不对称的？
– 宇宙大爆炸刚发生时的物质 形态是什么样的？
• 宇宙前沿
• 宇宙线测量，宇宙起源和演化、暗物质 暗能量等
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CERN的大型强子对撞机LHC
Higgs, SUSY, Strings, Dark Matter, …..
5
LHC数据与存储
2016: 49.4 PB LHC raw data/
58 PB all experiments/ 73 PB total
10-100PB
300Gb/s
Source: https:///abs/1603.09303
到2025年，高能物理前沿研究所需的计算量将比目前提高2个数量级
需要数千万甚至上亿个CPU核
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高能物理计算的技术演变
• 为应对大数据，计算技术一直在不断的演化发展
• 可扩展性，高可靠性，大规模，高性能，易用性，…
• 地下500米实验大厅 • 2020年运行，每年将产生2PB数据
• 高海拔宇宙线实验LHAASO
• 位于四川稻城海子山，海拔4400米 • 2018年开始部分运行，建成后每年将产生6PB数据
• HXMT（“慧眼”卫星）、CSNS（中国散裂中子源）、
HEPS（高能同步辐射光源）等等
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高性能计算和大数据处理
数据分析（科学发现）
• 暗物质/暗能量 • 宇宙起源 •…
3
高能物理研究三大前沿
• 能量前沿
• 大型强子对撞机（LHC）及其探测器 （ATLAS, Alice、CMS, LHCb）的物理 实验为代表
• 精度前沿
• 中微子实验（美国DUNE, 中国大亚湾、 江门中微子实验等），muon反常磁矩测 量等
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国际高能物理网格WLCG
April 2017: - 63 MoU’s - 167 sites; 42 countries
CPU：5.2 M HepSpec06
➢ 今天最快CPU: ~ 50万核 ➢ 实际上超过70万核（有些CPU使用超过5年）
存储：985PB
➢ Disk： 395 PB ➢ Tape： 590 PB Ian Bird WLCG2017
例如格点量子色动力学（格点QCD)和计算宇宙学
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美国高能物理HPC计算现状和未来需求
计算任务 当前计算量
2025年需求 当前存储 2025年存储 2025年网络
（核小时/年） （核小时/年） （磁盘） （磁盘）
加速器建模 ~10M-100M ~10G-100G
计算宇宙学 格点QCD 理论物理
~100M-1G ~1G ~1M-10M
~100G-1000G ~100G-1000G ~100M-1G
~10PB ~1PB
>100PB >10PB
300Gb/s
宇宙前沿 ~10M-100M ~1G-10G
~1PB
10-100PB
能量前沿 ~100M
~10G-100G
~1PB
>100PB
300Gb/s
强度前沿 ~10M
~100M-1G
~1PB
2
高能物理科学研究
物质结构组成（理论）
• 夸克、轻子、玻色子 • 强力、弱力、电磁力、万有引力
粒子加速器（装置） • 粒子物理研究的重要手段之一 • BEPCII，LHC，CEPC等等
探测器 （实验）
• 探测各类粒子，用于科学研究 • BESIII, NO, LHAASO,
ATLAS, CMS …
• 格点QCD 数值模拟是耗费计算资源最多的科研领域之一
• 利用蒙特卡罗数值方法求解近邻相互作用的多自由度体系的统计问题 • 需要超级计算机（HPC）的支持；高并行度；高可扩展性