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标  题: 计算物理→科学计算→战略计算(zt)
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标  题: 计算物理→科学计算→战略计算(zt)
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标　题: 计算物理→科学计算→战略计算
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计算物理→科学计算→战略计算
张锁春（中国科学院应用数学研究所）
1. 计算物理
　　据查证“计算物理”一词首次正式出现是美国在1963年开始出版的“计算物理方法
”丛书。
　　1959年5月美国总统发布命令，可以揭开曼哈顿计划的内幕，部分内容可以解密。故
以“计算物理方法”丛书的名义陆续编辑出版。这套丛书从1963年到1977年共出版17卷
，内容涉及到统计物理、量子力学、流体力学、核粒子运动、核物理、天体物理、固体
物理、等离子体物理、原子与分子散射、地表波、地球物理、射电天文、受控热核反应
和大气环流等方面的物理问题，在计算机上进行计算所需要的计算方法以及反映当时水
平的研究成果。这套丛书也大致反映了“计算物理”的概貌。
　　我们常说：计算物理的物质基础是计算机；
计算物理的关键技术是“计算方法”和“程序设计”；
计算物理发展的原始动力是美国核武器研制的刺激。
　　下面稍微介绍一点计算物理形成和发展前前后后的情况。
三位计算机设计大师的贡献
　　一位是H.Aiken(1900-1973)，哈佛大学的博士研究生。因做博士论文涉及到空间电
荷传导问题计算，想设计一个计算机来求解。1937年提出方案，1939年得到IBM资助，1
944年建成投入使用。这是继电式计算机桵arkⅠ，在美国原子弹的研究设计中立了大功
（中国的104机相当）。
　　一位是J.W.Manchly(1907-1980)，宾夕法尼亚大学物理博士，因从事天气预报需要
想设计计算机，后接受美国陆军弹道研究所弹道计算任务。1942年提出计算机方案，19
45年底竣工，这就是世界上第一台电子计算机桬NIAC机。
　　一位是J.Von Neumann(1903-1956)，普林斯顿高级研究所，参与美国核武器研制。
1944年参与ENIAC的改进，1945年提出EDVAC机设计方案（存储程序计算机），后在普林
斯顿研制成MANIAC机，有力地支持美国氢弹研制，称为计算机之父。（中国的109丙机、
J-501机相当）
美国从1942年8月13日开始曼哈顿计划，到1945年制造出三颗原子弹：代号为“三一”，
用于试验（7月16日），“瘦子”投于广岛（8月6日），“胖子”投于长崎（8月9日）。
历时三年，涉及到理论物理、爆轰物理、中子物理、金属物理、弹体弹道等计算。
1945年8月11日日本宣布无条件投降后，作为原子弹之父的奥本海默（J.R. Oppenheime
r）等人辞职，纷纷离开，洛斯阿拉莫斯呈现一片荒凉景象。直到1947年春，军工部门为
实验室拨款，一些科学家处于自身难保的境地，又纷纷回到实验室，从事理论研究，并
扩大在物理、化学、工艺和生物等方面的研究范围。
1949年8月美国发现苏联第一次原子弹爆炸后，杜鲁门总统在1950年1月31日下令继续研
究各种类型的原子武器，成立以氢弹之父特勒（E.Teller）为首的氢弹研制小组。直到
1952年10月31日爆炸了代号为“麦克”的核试验。但是苏联在1953年8月8日发表声明“
氢弹的生产并不为美国所垄断”，开始了新的核军备竞赛。
在研制原子弹和氢弹的过程中，许多物理规律必须通过计算机上的计算摸清楚，因而计
算物理就不知不觉自然地产生了。计算物理、理论物理与实验物理相辅相成相互促进共
同发展，形成现代物理学的三大分支。
由于核武器研制需要，大大刺激计算机的发展。道路一旦打开，一门新兴的战略工业—
电子计算机行业便以雪崩之势席卷全球。1950年全球只有15台，到了1962年9月仅美国就
有16187台计算机。
60年代中期，由于硅平面工艺的出现，集成电路成为独立的工艺，而且可借助于计算机
本身的力量而精益求精。硅的集成度平均三年增加4倍，而计算机本身每三年更新一次。

60年代中期开始推出小型计算机，70年代末推出个人计算机，80年代中期又推出高性能
的超级微机。计算机的短期市场效益，严重地冲击研究的长期利益。而计算物理发展所
需要的大型计算机却得到发展。
1981年以哈佛大学普雷斯（W.H.Press）为首的11位著名科学家联名上书，向美国国家科
学基金会（NSF）呈送“发展计算物理的建议书”，大声疾呼计算物理发展正处于一个危
机阶段，是NSF采取实质性行动的时候了。提出建立国家范围内的网络计算系统，包括管
理通讯的网络，大型超级计算机，可供用户使用的阵列处理机，图像显示设备等。这会
给计算物理带来所需要的存储容量和计算能力。
1981年，戈尔在美国科学与电视艺术研究的一次演讲中，首先提出“信息高速公路”这
个很前瞻性的概念，可能受到其父亲以前曾向美国国会提出“洲际高速公路”提案的影
响。
　
2. 科学计算
　　“科学计算”一词首次出现在1983年，由美国国防部、能源部、国家科学基金会及
国家航天局等单位主持下，一个由美国著名数学家拉克斯（P.Lax）为首的不同学科的专
家委员会向美国政府提出的报告之中，强调“科学计算是关系到国家安全、经济发展和
科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”当时轰动美国朝野，总统科学顾问
随即到国会作证，政府迅速采取措施。
1984年政府大幅度地增加对科学计算经费的支持，NSF建立了“先进科学计算办公室”（
OASC），制定全面高级科学计算发展规划；连续5年累计拨款2.5亿美元。新建成五个国
家级超级计算中心（分别在普林斯顿大学、圣地亚哥、伊里诺大学、康奈尔大学、匹兹
堡），配备当时最高性能的计算机，建立NSF-net新网络。
1987年起NSF把“科学与工程计算”、“生物工程”、“全局性地科学”作为三大优先重
点支持的领域。
1990年美国国家研究委员会发表《振兴美国数学：90年代的计划》的报告，建议对由计
算引发的数学给予特殊的鼓励和资助。因为这种数学将成为有效地使用已在运转的或已
设计好的许多超级计算机所必需的工具。关于算法或计算方法的研究是高度数学性的，
涉及到数学科学的许多分支。计算机为数学提供了一条通往科学和工程技术每个领域的
重要通道，也开辟了一个数学时代。
　　报告指出由于大存储的高速计算机的使用已导致了科学和技术方面的两大突出进展
：
　　一是大量用于设计工作的实验被数学模型的研究逐步取代，如航天飞机设计、反应
堆设计、人工心瓣膜设计等。
　　二是能获取和存储空前大量的数据，并能提取隐秘的信息，如计算机层析X射线摄影
，核磁共振等。
1991年以美国总统倡议的名义提出了“高性能计算与通信（HPCC）计划”。这是为了保
持和提高美国在计算和网络的所有先进领域中的领导地位而制定的。该计划为期五年（
1992-1996），由美国8个重要部门负责实施。投资的重点（43％ ）是发展先进的软件技
术与并行算法，关键技术是可扩展的大规模并行计算。要求到1996年高性能计算能力提
高14倍，达到每秒万亿次浮点运算速度（1012 Teraops/S）。计算机网络通讯能力提高
1百倍，达到每秒109位（Gigabits/S）。该计划中列举的“挑战”项目有：磁记录技术
、药物设计、催化、燃烧、海洋模拟、臭氧洞、空气污染、高速民用运输机、数字解剖
、蛋白质结构设计、金星成像等。
1993年初美国总统发布“发展信息高速公路”（NII）的总统令。
1994年4月美国总统发布“建立国家（地球）空间数据基础实施”（NSDI）的总统令。
　
3. 战略计算
　　“战略计算”一词首次出现在1995年美国为了确保核库存的性能、安全性、可靠性
和更新需要而实施的“加速战略计算创新（ASCI）计划”。这是因为美国克林顿总统在
1995年8月11日宣布：“美国决定谋求真正的“零当量”全面禁止试验核武器条约”。这
并不意味着核竞赛的结束，恰恰相反是核武器计划新时代的开始，要求通过逼真的建模
和模拟计算来取代传统的反复试验的工程处理方法。这主要依赖于先进的数值计算和模
拟能力，为此应用程序必须达到高分辨、三维、全物理和全系统的水平。
为了确保ASCI目标的实现，采取五项相互关联的策略措施：
　　① 建立协调一致的管理，在三个防务计划实验室（洛斯阿拉莫斯、圣地亚和利弗莫
尔）基础上组成“战略计算和模拟办公室”，统一指挥，由负责国家防务的副部长领导
。
　　② 致力于开发高级应用软件。
　　③ 致力于发展高性能计算。
　　④ 建立解决问题的环境。
　　⑤ 促进战略联合和协作。
1995年8月22日（即总统宣布决定后的11天），能源部(DOE)就采购世界上最快的一台计
算机（运算速度超过万亿次）交付圣地亚实验室（96年12月安装）。
　　1995年10月20日，建成三个防务实验室之间第一个高速数据网络。
1996年2月20日，能源部公开招标，将购买两台每秒运算速度达3万亿次的计算机。于19
97年分别安装在洛斯阿拉莫斯实验室和利弗莫尔实验室。并竞争下一代系统，2000年达
十万亿次。本计划实现的最后日期为2003或2004年，达到100万亿次（中国1999年水平达
1千亿次）。
1997财政年度总统提出1.216亿美元作为实施五个策略的经费预算。
ASCI的学术战略合作计划(ASAP)在1997年8月通过招标和签订合同方式，建立了五家合作
中心：
　　斯坦福大学的湍流综合模拟中心(CITS)
　　加州理工学院的模拟材料动态特性的计算中心
　　芝加哥大学的天体物理学热核反应瞬间闪光研究中心(FLASH)
　　犹他大学的意外火灾与爆炸模拟中心(C-ASFE)
　　伊利诺斯州州立大学的助推火箭模拟中心
1998年1月31日，美国副总统戈尔（Al.Gore）在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“
数字地球—二十一十几人是地球的方式”的演讲，首次提出“数字地球”的全新概念。
为了能够获取、储存、处理并显示有关地球的空前浩瀚的数据以及广泛而多样的环境和
文化数据信息，我们需要一个“数据地球”一种可以嵌入海量地球数据的、高分辨率的
关于地球的三维表示。需要一个没有墙的“合作实验室”，让科学家去弄清人与环境之
间的错综复杂的奥妙关系。为此需要的技术有：计算科学、海量储存、卫星图像、宽带
网络、互操作、元数据等，列为首位的是计算科学。
1998年7月30～31日，美国的DOE/FNS共同联合组织召开了关于“先进科学计算”的全国
会议。会议强调科学模拟计算的重要性，希望应用科学模拟来攻克复杂的科学与工程难
题。号召全国科学技术工程界更广泛地使用高性能超级计算机，动员更多的人才来从事
软件、算法、通信基础设施、可视化系统的研究和开发。
1998年9月，美国DOE在全国范围内倡议实施“科学模拟计划”(SSP)，提出要加速“燃烧
系统”与“全球气候系统”这两大应用领域的科学模拟研究。并希望在以下五个方面的
工作能得到全国的大力支持：
　　算法，其它方法与库技术；
　　解决问题的环境与工具；
　　分布式计算与协同计算环境；
　　可视化处理与数据管理系统；
　　系统体系结构与平台战略研究。
1999年初美国总统信息技术顾问委员会提出一项题为《21世纪的信息技术：对美国未来
的大胆投资》的报告（即IT2计划）。美国在2000年度财政预算中有关信息技术方面的投
资达3.66亿美元（增加28％ ），重点投资的三个领域是：①长期信息技术研究；②用于
科学、工程和国家的高级计算；③信息革命的经济和社会意义研究。将在超级计算机、
数学模拟和网络等方面取得新的进步，开创一个新的迈向自然世界的窗口—使得计算作
为科学发现的一种工具，而和理论及实验具有同等的价值。
　　最后用戈尔副总统在关于“数字地球”演讲中的一段话来作为结束语：
　　“在发明计算机之前，用实验和理论的方法来研究都很受限制。许多实验科学家想
研究的现象都很难观察到---它们不是太小就是太大，不是太快就是太慢，有的一秒钟之
内就发生了十亿次，而有的十亿多年才发生一次。另一方面，纯理论又不能预报复杂的
自然现象所产生的结果，如雷雨或飞机上空的气流。有了高速的计算机这个新工具，我
们就可以模拟以前不可能观察到的现象，同时能更准确地理解观察到的数据。这样，计
算科学使我们能超越了实验与理论科学各门的局限。建模与模拟给了我们一个深入理解
正在收集的有关地球的各种数据的新天地。”
　
参考文献：
[1].张锁春：计算物理学。光明日报，1981/4/24
[2].张锁春：计算学是科技进步的重要推动力量---浅谈计算物理和高性能计算学。中国
科学报，1997/8/4
[3].王蕙蔺：创新的科学模拟技术。计算数学通讯，1999年,第二期，P13-20


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