郑泉水:IBM全球网格大同盟将大大提升清水计算研究速度

来源:凤凰网 2010-09-20

  2010年9月20日消息,IBM全球网格大同盟宣布助力清华大学“清水计算”项目,共同解决人类面对的水资源问题。清华大学清水计算项目负责人郑泉水表示,全球网格大同盟的助力大大提高了项目的研究速度,并呼吁大众加入进来,为清水计算贡献电脑闲置时的计算能力。

  郑泉水详细阐述了清水计算项目的背景和前景,并透露全球网格大同盟带来的研究速度的提升。郑泉水举例称,按照目前的清水项目所需要的计算能力,相当于在全球排名前十的超级计算机全部用于该项目的情况下连续运行1个月;郑泉水表示,按照目前WCG清水项目试运行的速度预测,大约需要1年的时间。

  郑泉水呼吁,所有人都可以帮助清水计算,只需要加入全球网格大同盟中,就可以利用电脑闲置时的计算力帮助清水计算项目的研究。

  以下郑泉水演讲实录:

  尊敬的各位嘉宾、朋友们、老师们、同学们,非常高兴今天有这样一个机会向大家汇报一下“清水计算”项目简单的情况。我来自清华新成立的多学科交叉中心“微纳力学中心”,也属于清华大学力学系。图中的画面可能不少人会猜出这是哪里,是九寨沟。九寨沟的水是我见过的最美的水,我用这张图做一个开头,有两个原因,一是这是我去过之后,能够常常在我的梦中回到的地方;二是自然的启示,能够给我们这个项目带来很多的启示。

  联合国有一个统计,15年以后有一半的人处于缺水状态,前不久诺贝尔奖获得者谈到今后十年人类面临的十大问题第二位就是水,水的问题也是能源的问题,因为地球上97%以上的水是海水,还有食品的问题、环境的问题、疾病的问题。自然的启示,自然启示有它的方法,我这里讲树,九寨沟的美不仅仅是因为水,还有它的环境。水是通过根系从土壤里面得到水,根系是一个膜技术,通过树干、树枝的导管往上走,进到树叶的细胞,树的细胞就相当于人的心脏,它是树驱动水,能够克服重力、克服流动阻力达到上部的“心脏”,它除了用到太阳能以外没有用到任何东西,自然的启示是,大的树一天可以实现几吨的淡水。

  树主要通过毛细,毛细的现象是日常生活中很多见的,比如说通过一个吸管可以把一个饮料的水吸上去,高度是反比直径,如果直径比较小,反而吸得比较高。就是这样的一个自然力,地表水上来主要靠毛细的作用。这个树的毛细有多大呢?在树叶的细胞里存在比较硬的壁,壁孔上有纳米级的孔洞,直接是20-80个纳米,这个毛细足可以把水一次吸到上千米的高度,这是毛细的力量。但是实际上树不可能吸到这么高,因为蒸发消耗水,还需要流动,流动形成的阻力很大。在北京地区,流动形成的阻力大概是重力的7倍左右,如果是干旱地区是十几倍,所以流动阻力是实现输运的很大的阻力。世界上最高的树有120米,这是在美国加州北部的一棵树达到120米。流动的阻力日常生活中很常见,左上图水管的流动,左下图血液的流动,流动的阻力到处存在。流动的阻力是正比流速,正比管道的长度,为什么会有这么多阻力呢?水的流动在管壁上是没有滑动,是粘在管壁上,我们叫做无滑移流动。

  我们看一下根,根的渗透膜通过水从上往下从土壤中进到植物,通道都是纳米级,所以这个阻力很大。我们启动几个应用,现在的海水淡化技术主体上有两个,一个是传统的蒸馏,要把它气化,涉及到温度。我们看到很高的地方,比如说大喜马拉雅山温度用不着100度就可以实现蒸馏,换句话说蒸馏的温度可以降低。二个是渗透,通过很小的孔把水渗透过去。渗透压克服渗透压,克服流动阻力,这都消耗能量,这就涉及到能量和制造成本的问题。

  最近实验有一个比较重要的进展,左边是中心魏教授的碳微纳米管,左下图可以把这个膜做成一个孔细,对这样的孔膜做成从2个纳米到十几个纳米孔,发现水的流动异乎寻常的容易,会比原来预测得容易好几个数量级。右上角是科学的封面,水分子像子弹一样飞着,没有粘在管壁上,我们猜测,是不是在纳米级光滑的表面上,特定的材料可以很容易就发生不是无滑移流,而是有滑移流,同样的能量消耗下,我们就可以看到示意图上的流量面积,有滑移流可以大大增加流量。蒸发也是这样,我们做了一个实验。理论的预测在管孔里面的蒸发是比平面蒸发慢,我们发现管孔里面的政法蒸发速度上十倍,一两个量级的提高,这跟现有的理论背道而驰。这些都面临着挑战。

  最主要的是两个问题,第一,输运,在微纳米管中水的流动,是否确实为滑移流动。为什么?我们能不能优化,我们能否在工艺上实现,解决那么迫切的问题。为什么管口蒸发水很快,现在我们不能解释,要想办法解释,需要很高的计算能力。我们参与这个计算已经两到三年时间,这个计算现在的主要问题,目前对刚才实验的理解远远没有达到可在线,差距非常大。我们组的计算是跟实验最接近的计算,但是差距非常大。按照现在的速度,20个CPU的集群实现现在实验接近的上限要花240年,如果用现在最快的计算机,大概要花一个月的时间,这是不可能让一个人用的,用现有的计算机可能几年都解决不了这个问题。IBM这个项目的启动给我们看到了希望,我们刚刚运行了三周,这三周还是在没有做任何发布的情况下运行了三周,发布以后可能情况会好一点,按照现在的速度能够达到实验的情况需要一年半的时间,这个资源对我们非常重要。

  预期的结果,主要是揭示水在原子级光滑表面超常流动的主要机制和耗散原理,要研究多种物理、力学、化学、生物、材料、结构等重要参数对性能的影响,为材料的选择提供指导。下一步,在这个理论理解的基础上,为今后提出低能耗甚至完全由再生能源驱动的,创新型的海水淡化、污水过滤等技术,帮助理解水的流动和蒸发对生命系统的影响。这看上去是很重要的研究,这项研究IBM提供机遇不只是我们的专家来研究,而且这需要多学科的支持,这个团队是非常好的团队,我们是一个国际研究团队,分布在亚洲、欧洲和美国,有研究理论的,有做实验的。IBM团队也是一个相当强大的团队,在过去半年里我们每个星期跟IBM要交流一次,背后的技术支撑是相当大的,这的确是一个公益项目,投入很大,我们没有得到IBM任何一分钱,但是这个资源对我们来讲是用钱买不来的。

  除了专家的支持以外,所有的人都可以帮助这个项目,哪怕是你上小学的孩子,其实只要有这个意愿来帮助这个项目,接受这个许可,计算机就会利用你的机器完全不用的时候,用极小的能耗帮助这个项目。感谢大家关注,期待大家的支持。我们所有的同事都在非常激动的做这个事情,我们会拼命工作,一定会争取最好的成果来回报社会的关注,回报学校和IBM的支持。

2010年09月21日 14:15:37  清华新闻网

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