英國超級實驗室

《英國超級實驗室可望容納1000多名科學家》

在英國眾多科學家、政府與生物醫學慈善團體官員，共同對外公佈了一座“超級實驗室”的設計圖和科研計畫。這一“超級實驗室”即英國醫學研發中心（UKCMRI），計畫耗資超過6億英鎊，2014年底建成後可望容納1250名科學家和250名支持人員。這一計畫將集合英國4家頂級的醫學研究機構，包括英國醫學研究理事會（MRC）、維康基金會、英國癌症研究（CRUK）以及倫敦大學學院（UCL）。

UKCMRI的科研計畫由Paul  Nurse主持設計，他曾於2001年榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。Nurse表示，這四家合作夥伴意在創建一個多學科的研究機構，將主要由年輕科學家組成，他們將不會拘泥於部門間的屏障以及單一的疾病或醫療策略。UKCMRI有著一個“簡單的目標，即保持英國在世界生物醫學研究方面的前沿地位。”

英國生物技術與生物科學研究理事會（BBSRC）協同英國生命科學聯合會（BSF）舉行聯合磋商會議，分析英國生命科學研究機構瀕於遺失的專業技能，而分析結果將決定對未來戰略及薄弱領域投資的優先權。

英國生命科學團體、工貿團體都應邀提供其關注的專業技能領域。BBSRC希望瞭解研究所需的技能類型、其從廣泛的科研活動中消失的原因，這將決定對重要研究領域進行資助的優先權，而這是英國維持生命科學研究世界水準的關鍵。BBSRC  創新及技術部主任表示，一個特殊領域所需的主題專家也許並不多，但隨著目前學術及工業部門的人員逐漸退休，確保英國在重要戰略領域採取行動顯得異常必要。

由於一些原因，如有限的培訓及職業機會，或現有專家的退休，一些領域的專業技能傳承維持尤其困難。協商搜集的資訊將由BBSRC“生命科學技術與職業”小組評定，隨後向BBSRC  向薄弱而重要的專業知識領域投資提供建議。

                  《用單細胞動物打造成機器人Plasmobot》

英國《新科學家》雜誌網站報導，在人們的印象中，生物機器人只出現在科幻小說裏。但是也許這將變成現實，英國西英格蘭大學的科研人員近日獲得了不菲的科研資金，他們將著手將單細胞動物打造成機器人。

地球上絕大多數物種是單細胞生物。看似簡單的單細胞生物，向我們展示著它們無與倫比的能力。有的微生物則可在極端環境中茁壯成長，有的單細胞動物可以存活成千上萬年。此外儘管單細胞動物十分低等，但是許多大細胞動物已經展示其“聰明才智”。單細胞動物的聰明行為不是有意識思考的結果，因為不像人類或者其他複雜生物，它們沒有神經系統，更不用說大腦了。

科學家利用單細胞動物的“聰明”，前幾年研製出單細胞控制的機器人。當時英國南安普頓大學的桑諾爾博士培養了一種星形的黏黴菌樣品，把它附到一台六腳機器人上(每個星尖控制一條腿)，用來控制機器人的運動。而西英格蘭大學的安德魯教授的設計理念更為先進，他打算在此基礎上更進一步，利用瘧原蟲粘菌研製出完全的生物機器人。

據悉，該生物機器人被命名為Plasmobot，將被設計成通過光和電磁刺激來激發化學反應。此前這是通過類似的化學反應，安德魯教授為一種人工大腦製造邏輯開關。安德魯教授表示，下一步要深化對這種化學反應的研究，通過控制這種化學反應，能夠使Plasmobot朝特定方向運動，包圍並“撿起”物體，甚至組裝物體。安德魯表示，這種單細胞動物機器人的最終研究目標是使其具備組裝微機器元件的能力。

       《地球上最強的美洲豹超級電腦與走鵑超級電腦之運行》

作為到現在為止全世界最快的超級電腦(Cray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHz 內核數224162個， 實測運算速度1759000GFLOPS，理論峰值運算速度2331000GFLOPS)，Cray美洲豹隸屬於美國能源部，坐落於美國橡樹嶺國家實驗室。說到橡樹嶺國家實驗室，作為“曼哈頓計畫”的一部分，（曼哈頓計畫就是美國于1942年利用核裂變反應研製原子彈的計畫。曼哈頓計畫成功實施後為美國留下了巨大的財富——洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室）最近的項目是將建設核能創新中心。

美國能源部於2010年5月28日宣佈，為激勵創新和實現清潔能源突破，由橡樹嶺國家實驗室領導的團隊將獲得1.22億美元的支援，目的是在五年內建立和運營一座核能建模與仿真能源創新中心。該中心的人員將來自大學、產業界和其他國家實驗室，將利用世界上性能最先進、功能最強大的美洲豹超級電腦，推動核反應爐在設計和工程方面的重大飛躍。

能源創新中心將要求工程師對目前運行的反應堆進行仿真建模，建立一個“虛擬模型”。然後利用“虛擬模型”來解決有關反應堆運作與安全方面的重要問題，解決包括諸如增加電力產出、延長反應堆壽命等問題。通過從“虛擬模型”和現實反應堆中獲得的資料相結合來解決核能在近期、中期和長期內所面臨的技術問題。

美洲豹超級電腦的科學應用依次為：

1：極端氣候模擬。該項目是在美國國家能源部、美國國家大氣研究中心通過其古氣候計畫的支持下。在地球45億年的歷史中，氣候總在冷熱間徘徊。而通過美洲豹超級電腦現在可以完整的連續的模擬這個過程，利用全球氣候模型，包括大氣之間的相互作用耦合，海洋，陸地之間的移動。提供了有關全球氣候變化根源和影響的珍貴資料。

2：超新星研究。該專案是由加州大學聖克魯茲分校的教授負責。Ia型超新星在性質上是最大的熱爆炸，規模之大遠超過太陽以及其他生命元素，這些爆炸的恒星最神秘的地方在於它們的爆炸方式。美洲豹超級電腦類比運行了Ia型超新星的爆炸過程，模擬出了在爆炸的不同時間段產生出的放射性碎片等。這些資料為美國宇航局的相關研究提供了寶貴的資料。

3：生命和半衰期。碳-14的衰變速度永遠慢於它的同位素，使得研究人員可以通過植物或者生物中所含有的碳-14元素追溯到六萬年。碳-14的原子核內有6個質子與8個中子，在使用美洲豹超級電腦之前，研究人員只能考慮兩個核子相互作用，因為需要描述不同的組合數量非常大，這是一個記憶體密集型的計算。通過美洲豹超級電腦研究人員能夠更深入的瞭解碳-14的半衰期為何如此之長。

4：從光合作用到新燃料。該項目是由橡樹嶺國家實驗室的美洲豹超級電腦與美國田納西州大學的挪威海怪超級電腦共同參與的。替代能源是全球的一個熱點話題也是全人類必須要關注的話題，纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是取之不盡用之不竭的人類最寶貴的天然可再生資源。找到如何合理分解釋放葡萄糖就有希望利用植物作為一種新燃料。

5：聚變加速。很少有代碼要求比現有聚變加速粒子更快的I/O和更大的規模。例如，GTC和XGC-1是運行在NCCS Jaguar Cray XT5超級電腦12000多個內核上的。面對最大資料集的運行，超級電腦的速度總是需要不斷提高的。

6：模仿火山爆發應激氣候。火山噴發，重力氣溶膠粒子通常會在2至3年之內回落。相反，人為排放的有害物質長期持續，並可能改變未來的氣候。有幾種類型的氣體，包括二氧化碳，是火山爆發時噴出，二氧化硫的排放和硫酸鹽氣溶膠的產生尤其重要。如果通過超級電腦可以類比運行該大氣環境模型對於火山噴發的灰塵反應，便可以預測出該大氣環境對於人為長期排放的反應。

超級電腦“美洲豹”將被用於全球氣候變化和空間問題的研究。橡樹嶺國家實驗室的新一代超級電腦到底有多快？如果世界上每個人每秒都做一次數學計算的話，要用650年才能完成這台電腦一天的運算量。這樣的運算速度使它成為全世界公開科學研究領域最快的電腦。它的運算速度大於每秒鐘100萬億次，大約比傳統意義上的個人電腦快55000倍。

橡樹嶺實驗室表示，在近期的超導性能研究實驗中，“美洲豹”的持續運算速度達到了每秒130萬億次，峰值速度達到了每秒164萬億次。“ 美洲豹”電腦正在經受最後的考驗，它需保持良好的狀態直至研究工作結束。橡樹嶺實驗室電腦助理主管湯瑪斯·查利亞希望獲得回饋意見，並啟用這台電腦使其接近全日制運轉。

只有一台超級電腦要快過“美洲豹”，它就是位於新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室，專門用於機密的核武器研究工作。該實驗室以研製了世界上第一顆原子彈而聞名於世。這裏這裏部署了另一台赫赫有名的超級電腦，IBM“走鵑超級電腦”（BladeCenter QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz，內和數122400個，實測運算速度1042000GFLOPS，理論峰值運算速度1375776GFLOPS ）。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory, LANL)由加利福尼亞大學運作，位於新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯。該實驗室是世界上最大的多學科研究機構之一。它是新墨西哥州北部最大的研究機構和雇員最多的機構，有大約10,400名加利福尼亞大學雇員，以及大約2,800名合同雇員。

實驗室約三分之一的技術人員是物理學專家、四分之一是工程師、六分之一是化學和材料專家，其餘的工作在數學和計算科學、生物科學、地質科學等其他學科。也有外部的專家和學生來實驗室做訪問研究工作。實驗室聯合大學和工業界進行能源方面的基礎和應用研究。實驗室年度預算約為22億美元。現在走鵑超級電腦在實驗室裏又在做些什麼呢？

1：納米技術。現在我們可以開始瞭解材料的行為一直到納米尺度，在那裏，即使是單個原子的運動有時也可以改變機械或電氣性能。我們類比金屬納米線拉伸過程。使用走鵑超級電腦，可以減緩類比，看看到底是什麼，在拉伸的時候，多次發生變化。比以前在更可能的情況下觀察原子間的堆疊錯誤（用紅色突出顯示）網路的形成。

2：核聚變、雷射技術。該項目是由洛斯阿拉莫斯國家實驗室的走鵑超級電腦與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室共同參與的。美國計畫在2010年秋季由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實施核聚變，雷射技術的實驗。該項目是人類歷史上最重要的雷射技術，在實驗室中取得核聚變能源。規模動力學類比在三維鐳射等離子體相互作用的鐳射散斑。在走鵑超級電腦的協助下，可以實現前所未有的規模，速度和保真度。

3：磁重聯技術。方向相反的磁力線因互相靠近而發生的重新聯結現象。在此過程中，磁能可轉化為其他能量。涉及到各種形式的等離子體的磁場能量快速轉換動能。通過走鵑超級電腦，使這些類型的動態變化都在方便的觀測形態下，從而瞭解磁重聯的過程。

4：愛滋病毒。這是一個彩色樹組序列的愛滋病毒，收集後找到傳染愛滋病毒的原因。基本的計算問題，是要這個序列資料（這裏的10442〜3873核苷酸字串），找到該病毒如何隨時間演變模型中的所有序列。當樹上的節點附近生成另一個節點，這意味著有一個病毒是另一種病毒類似。走鵑超級電腦的進化模式，找到了一個病人的序列很少與另一位病人的序列重疊。其中一個重要目標是要找出可能存在疫苗的目標地區。

5：暗物質。暗物質和暗能量是宇宙的主要組成部分。宇宙的基本構成是由：23％的暗物質（其中很大一部分是所謂的光環在局部的團塊）73％暗能量組成。在該項目中宇宙的構成物質分佈在有史以來（由走鵑超級電腦運行的）規模最大的高清晰度類比宇宙中。走鵑超級電腦類比的宇宙綜合資料庫將成為研究暗物質科學的重要組成部分。

6：銅反應。我們在研究銅反應時感到震驚，用可擴展並行短程分子動力學，電腦代碼，類比過程，如固體中衝擊波在納秒的時間尺度上。許多現象基本材料需要在長度和時間尺度上超越這些地方，目前獲得的分子動力學（MD）模擬，隨著方法的改進，使更多的現實空間和時間尺度模擬成為可能。在可擴展並行短程分子動力學上已成功用於執行迄今最快的MD模擬，在走鵑超級電腦上達到369 TFlop/S。

7：流體動力學。在流體動力學領域瞭解湍流，流體的壓力下的行為，仍然是物理學中未解決的問題之一。複雜條件下，作為那些在1A型超新星爆炸的早期階段出現。有一種複雜的現象與這些活動有關的，這是一種相關的超新星建模重要的未決問題。通過走鵑超級電腦有助於在使用大型流體動力學結構的規範和處理複雜問題方面的相關研究。

                     阿拉莫斯國家實驗室所製之原子彈

               美國橡樹嶺國家超級實驗室