努力探索中国特色科研信息化之路

中国科学院信息化工作领导小组办公室2009年12月3日，北京努力探索中国特色科研信息化之路——中国科学院科研信息化实践与案例2459172425262830323335373840努力探索中国特色科研信息化之路目录01前言面向需求，加强科研信息化基础设施建设1.快速发展的中国科技网2.不断完善的超级计算环境3.稳步提升的科学数据应用能力服务科研，深化科研信息化创新实践1.世界水平的数据密集型计算网格2.网格技术支撑的空间天气数字实验室3.碳收支集成研究的科研信息化应用示范4.网络环境支持下的科学考察和合作研究5.虚拟天文台探索浩瀚太空6.野生鸟类资源及疫病监测与风险评估7.新一代工业生物技术知识环境8.生物大分子研究e-Science服务中心9.科研信息化综合性协同工作平台展望CONTENTS目录20世纪中叶以来，信息技术的快速发展与广泛应用加速了社会信息化的进程，使人类社会迈入了信息社会的新阶段。信息化是现代化的助推剂，一个国家的信息化程度已经成为其现代化程度的重要标志之一。信息化源于科学技术的进步，同时又推进了科学技术自身的发展。科学研究活动的信息化在世界范围内方兴未艾，各发达国家都制定了明确的国家科技活动信息化战略，投入巨资支持建设科研信息化基础设施，为提升本国的科技创新和国家竞争能力发挥了重要作用。中国科学院院长路甬祥指出，信息化基础设施是当代最重要的科研基础设施。中国科学院高度重视信息化建设与发展，逐步形成了全面推进科研和管理信息化，打造“有创意、有特色、功效一流”前言的中国科学院信息化发展愿景。中国科学院江绵恒副院长指出：“e-Science的实质就是‘科学研究的信息化’，是信息时代中科学研究环境和科学研究活动的典型体现。它不仅包括采用最新的信息技术，如Grid等，建设起来的新一代的信息基础设施，更有在这种基础设施和相关支撑技术构成的平台上开发的科学研究的应用，以及科学家们在这样一个前所未有的环境中进行的科学研究活动。e-Science的实现将为科学家们提供一个信息化的科学研究环境，改变他们从事科学研究活动的方法和手段，甚至直接影响到一些学科的发展。”近年来，中国科学院大力加强科研信息化基础设施建设，组织实施了互联网络、超级计算和科学数据应用等三大环境的建设，全面推进科研和管理信息化应用，部署了网络化科学02努力探索中国特色科研信息化之路前言研究（e-Science）、网络化运行管理（ARP）、网络化信息发布、网络化教育培训和网络化科学传播等五大平台的建设，组织实施了一批e-Science示范项目。几年来的实践证明，信息化对促进中国科学院科研与管理水平的提高，推进各学科的创新跨越，提升科技创新能力，形成高效的国际国内合作，逐步展现出不可替代、至关重要的作用。科研信息化设施与应用的基本要素与内涵包括：●宽带网络，支撑一切基于网络的科研信息流动。●主要的科研信息化基础设施，包括超级计算中心、科学数据中心和数字图书馆，它们是支持各类科研活动的共用技术设施，并向用户提供应用公共资源的接口。●各类信息化的科研活动设施和工具、方法，包括大型科学装置、实验室仪器设备、野外观测台站、数字标本馆、移动数字终端等等，直接服务于各自领域的科研活动。●虚拟实验室，提供基于网络和所有这些资源的应用环境，为虚拟研究组织或团队的科研活动提供支持与服务，是科研工作者与科研设施间的信息化界面。简言之，科研信息化就是在科研活动的各个环节采用先进信息技术提供支持与服务的环境和由此而产生的新的科研模式。科研信息化将随着各个学科和技术领域信息化应用的深化，随着信息技术不断进步，其内涵将不断丰富，并将对科技活动本身产生革命性的影响。努力探索中国特色科研信息化之路前言03e-Science结构模型图面向需求，加强科研信息化基础设施建设中国科学院在国家有关部委的支持下，经过多年建设，逐步形成了由高速科技网络、超级计算环境和科学数据中心构成的先进科研信息化基础设施及其服务环境，不断改革运行体制和机制，得到进一步的完善和快速发展，不仅服务于科技创新，而且服务于国家重大工程建设、经济社会发展与企业技术创新。04努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设1.快速发展的中国科技网中国科技网（CSTNET）是我国最早的国际互联网络接入方，是我国互联网创建时期的四大网络之一。目前，CSTNET由北京、广州、上海、昆明、新疆等十三家地区分中心组成国内骨干网，拥有多条通往美国、俄罗斯、韩国、日本等国际出口，并与中国香港、中国台湾等地区以及中国电信、中国教育和科研计算机网、中国网通、BJNAP（北京国家互联网交换中心）等国内主要互联网运行商分别通过光纤高速互联，中国科技网已成为中国互联网行业快速发展的一支主要力量。【网络能力】★中国科技网网络北京至6个分院为2.5Gbps带宽，北美方向622Mbps带宽。中国科技网国内骨干网拓扑图努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设05★中美俄环球科教网络(GLORIAD)实现环绕北半球光网络基础设施，骨干带宽2.5Gbps以上。★香港开放交换节点（HKOEP）连接日本、韩国和中国香港、中国台湾等国家或地区的科研网络，是亚太地区互联网的汇聚中心和国际互联网在亚太地区的交换中心。★下一代互联网（CNGI）参加了国家下一代互联网（CNGI）示范工程项目，建设了北京、上海、广州、沈阳、长春、成都、兰州等7个CNGI核心网节点，完成了103个CNGI科研机构驻地网建设任务。【提供服务】★为科研活动的各个环节提供网络支撑，提供海量科学数据、计算设施、野外台站等科学资源数据传输服务，接入中国科学院100多家单位，及院外科研单位100多家。★实现院内开放互联。★提供视频、邮件、IPv6服务等增值服务。中国科技网国内国际互连拓扑中国科学院CNGI核心与科研机构驻地网06努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设【应用案例】支持宇宙线数据预处理中心的应用实现了羊八井宇宙线数据实时采集、传输、预处理和国际共享服务。基于中国科技网这一基础设施，中国科学院高能物理研究所加入了欧洲核子研究中心（CERN）的高能物理研究网络，成为该网格的重要节点。支持天文学科射电天文望远镜实时甚长基线干涉测量（e-VLBI）系统应用提供国际观测专用光通道和长距离、高带宽实时海量数据传输技术服务。服务中国e-VLBI观测网。e-VLBI是在甚长基线干涉测量（VeryLongBaseLineInterferometry,VLBI）领域出现的新技术。它将互联网络环境、高性能计算和VLBI信息处理技术相结合，采用高速通信网络，将观测数据从距离遥远的观测站直接传送至VLBI数据处理中心进行处理，能极大缩短VLBI数据信息处理周期。2009年1月15日，支持在法国巴黎举行2009年国际天文年开幕式上，包括中国佘山和南山站在内的世界各国的17个射电望远镜同步进行全球最大规模e-VLBI观测演示。羊八井的网络链接2009国际天文年e-VLBI观测演示努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设07全程助力“2009日全食异地多路联合直播”活动2009年7月22日，本世纪最壮观的日全食天象——长江“大日食”隆重上演，多家单位联合进行了“异地多路网络直播”。中国科技网利用与各大网络运营商之间G级的高速互联链路，为直播活动提供最优带宽链路解决方案，使得位于多个地区、不同网络的直播点实现与直播中心的高速互联，将公共信号通过互联网、手机WAP网进行发布，利用P2P等技术实现异地多路信号清晰流畅的网络日全食直播。为汶川抗震救灾提供有利保障四川汶川大地震后，中国科技网紧急搭建了唐家山堰塞湖监控专网，结合中国科学院上海微系统所提供的现场宽带无线网络，确保了抗震一线信息及时传递给当地政府领导人以及有关部门，为抗震救灾提供了技术保障。2009日全食异地多路联合直播唐家山堰塞湖大坝及泄洪流域实时监控系统08努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设建设面向科研应用的多媒体通信系统充分利用现有网络资源、通信资源和应用系统，依托中国科学院邮件系统现有用户资源和认证信息，融合邮件、语音（VoIP+程控交换固定电话）、视频会议系统，即时通讯、短信功能，建设面向科研应用的通信系统。该系统已开始在中国科学院院属科研单位逐步部署。应用于北京同步辐射装置大分子实验线站努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设092.不断完善的超级计算环境中国科学院“十一五”统筹规划建设的“院总中心-分中心-所级中心”三层结构的超级计算环境，整合院内外有关超算资源，通用计算与专用计算相结合，CPU计算与GPU计算相结合，具备国内一流、国际先进的超级计算环境。顶层目前拥有联想深腾7000超级计算机，理论峰值达每秒146万亿次，是中国国家网格（CNGrid）的北方主节点和运行中心。至2009年10月底，超级计算中心已累计为全社会近千科研用户提供了逾6000万CUP小时的计算服务。【计算能力】初步建成的三层结构的中国科学院超级计算环境，顶层计算能力是通用146万亿次、专用1000万亿次，中间层的分中心和第三层的所级中心约20个左右，总聚合计算能力是通用100万亿次以上、专用1800万亿次，通过中国科技网实现计算能力和计算数据的共享。中国科学院超级计算环境三层网格架构深腾7000超级计算机主要性能指标★集群结构，理论峰值146Tflops★采用64位CPU，节点机采用刀片服务器★2台NUMA结构胖节点用于共享内存的并行应用软件★内存总量66TB，磁盘阵列裸容量354TB★MPI通讯带宽≥2GBps，延迟≤3µs★持续IO聚合带宽50GBps★磁带库不压缩容量1PB，聚合带宽≥800MBps10努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设深腾7000超级计算机主要软件列表移植开发的软件领域商业应用软件领域开源应用软件领域Lammps分子动力学MOLPRO计算化学GROMACS分子动力学DL_Poly分子动力学GAUSSIAN计算化学GrADS可视化TAO数值计算Q-CHEM计算化学GMT气象地理数据处理MM5气象MATLAB分析和方针工具BLAST基因比对Nwchem计算化学VASP材料科学FFTW数值计算Abinit计算物理TURBOMOLE计算化学Hypre数值计算NAMD分子动力学WIEN2K计算化学OpenMX材料计算GAMESS从头量化计算SPARTAN计算化学VENUS量子力学DOCK制药MaterialsStudio材料科学AutoDock分子对接程序CPMD分子动力学LS_DYNA计算力学GRAPES气象数据处理Elmer有限元计算Fluent流体计算MM5气象数据处理LIS生态学CFX流体计算NAMD分子动力学PHG有限元计算Crystal材料科学VMD分子可视化NetCDF数据处理ADF计算化学TINKER分子动力学【提供服务】针对不同学科领域的需求提供丰富的超级计算软件，包括常用商用软件、开源软件及自主研发软件。为高性能计算环境长期高效、稳定的运行提供保障服务，同时，为院内外用户提供高性能计算技术与应用培训。深腾7000效果图中国科学院初步建成的超级计算运行环境三层结构分布示意图努力探索中国特色科研信息化之路面向需求，加强科研信息化基础设施建设11【应用案例】可视化铸锻技术利用高性能计算模拟，将材料成形过程“可视化”，指导大型铸锻件的加工工艺过程，成为提升我国铸造、锻造等传统材料加工工艺水平的有效方法，已经在我国重点工程的船用曲轴毛坯、大型铸钢支撑辊、大型空心钢锭和核电用关键铸件等的制造技术上成功应用，解决了我国不能加工特大型铸锻件的难题。大型船用曲轴曲柄的弯曲成形过程气候变化数值模拟发展了独具中国特色的四代气候系统模式，在高性能计算机上模拟了人类活动对全球变化的可能影响以及未来气候的可能演变趋势，其结果被政府间气候变化委员会（IPCC）已有的四次气候评估报告所采纳。