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西电校友,西北高校最快超算系统投入使用

2019-10-08 00:36

据了解,西电此次与浪潮集团共建超算系统,其主要应用之一就是大规模精细电磁计算,相关成果有望推动大飞机制造、高铁及机场设计、手机基站建设等重要经济民生领域的发展。

据西安电子科技大学相关负责人介绍,计算电磁学是一门对计算性能需求极大的学科。以设计一副移动手机通话天线为例,首先需要分析手机上安装的其他天线(GPS天线、FM天线)、通信线路、电子设备等产生的电磁波对所要设计天线的影响,并且要考虑机壳、电池、人体对电磁波的散射,还要考虑手机周围电磁辐射对其产生的干扰等。在这些研究过程中,往往需要涉及到大规模的数据。超级计算机的投入使用,可以在短时间内计算模拟出精确的天线辐射方向图,通过对手机及其周边环境的精细建模,分析出手机机体本身对天线性能的影响,以及手机天线之间、天线与设备之间、天线与环境之间的相互干扰,为手机天线布局设计大大减少时间成本和实验成本。在现代社会,由于电子技术的高度发达,电磁波可谓无处不在,其对人类生活的影响也日趋变大。电磁学领域还有很多人类目前无法解决的问题,如怎样消除电子设备之间的静电、消灭电磁辐射对人体的危害等。这些未知领域的探索需要强大的计算性能和精确的数值模型来交替解决、相互促进。

一个方向是我在西电工作的延续。我在西电时就做电磁散射算法研究,研究雷达波照到已知复杂目标后它的散射特性如何,以及其反问题——根据雷达特性反演出未知目标物体。算法研究为什么重要呢?我简单解释一下。不管是在牛顿力学还是爱因斯坦相对论框架下,世界任何事情都可以用定理或公理来描述,比如万有引力定律、电磁学中所熟知的法拉第定律和安培定律等。电磁领域所有的定理或公理都只有一个核心,即麦克斯韦方程。

西北高校最快超算系统投入使用

bv1946伟德入口,西安电子科技大学于1993年成立计算电磁学实验室,在我国计算电磁学领域处于领先地位。西安电子科技大学相关负责人介绍说,目前该实验室在计算电磁学方面已经有了多项阶段性成果。例如,该实验室已经计算出闪电产生的电磁波对飞机通信的影响,为确保飞行安全、减少飞机故障提供了重要的数据支撑。

现在回想起来,机缘巧合来到西电对我一生影响很大。我是从农村来的,高中毕业时对专业选择也没什么概念,就这么歪打正着碰到了我非常喜欢的专业方向。电磁场这个学科实际上有许多物理的东西,是一个工科与理科结合得非常好的学科。近十年来我所研究的“超材料”领域,大部分知识也是来自物理。

仍以手机基站建设为例:手机信号的好坏同手机天线本身的性能优劣以及基站的信号强度有关。计算电磁学可以建立一个仿真模型,分析高层大楼、其他信号源等周边环境对手机基站信号质量的影响,并计算出信号覆盖的范围以及每个地区信号的强弱度等数据。电信运营商可以根据这些数据,确定基站建设的位置以及数量。

西北地区高校最快超级计算机投入使用

读研究生时依旧研究电磁学问题,跟别人不一样的是,我在硕士毕业时写出两本论文。一是关于电磁格点理论在电磁散射中的应用,把研究从原来的静电场推广到时谐场;另一个是电磁逆散射方法研究。形象地说,第一本是关于电磁正散射过程,研究一个复杂已知目标在电磁波或雷达波照射下的电磁特征。目标不同(如飞机、军舰、导弹等),电磁特征也不同。逆散射则与此恰好相反,即有一个未知目标,雷达波照射到未知目标后会测量到回波或其他特征,根据这些特征把未知目标反演出来。因此我在硕士期间做了两个完全不同方向的课题,它们是矛盾的两个侧面。

张玉介绍说,计算电磁学是以电磁理论为基础,以高性能计算技术为工具,运用计算数学方法,解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。计算电磁学早期主要用于国防领域,如今已被广泛应用于工业设计、医疗、电信等领域。

由浪潮设计构建的超级计算机创新性地采用了CPU GPU MIC异构技术,可同时满足用户多个版本的应用软件运行,大大提升了应用效率。浪潮集团高性能计算总经理刘军说,混合计算架构正在成为百亿亿次时代的超级计算机架构主流,尤其是融合了CPU、GPU、MIC三种技术特点的架构被国际科学界认为是人类突破百亿亿次技术门槛的重要研究方向。浪潮先后参与完成了采用GPU技术的千万亿次系统——天河1A和基于MIC技术的亿亿次系统——天河2号的研制和建设工作,并且在CPU GPU MIC三重异构技术方面已经取得成功的项目经验。浪潮非常有信心把这种成功的技术经验移植到西安电子科技大学的超算中心建设中,为支持计算电磁学等相关研究提供重要助力。

我认为现阶段是西电发展过程中最好的一个时期,经过校领导和全校师生的共同努力,我们拿到了2011平台——西电牵头组建的信息感知技术协同创新中心入选2014年“2011协同创新中心”。希望继续加油将这步棋下好。2011是继211和985之后又一个新的平台,若是抓住机遇、推动发展,学校的各方面都会更上一个台阶。

在西电副校长李建东看来,建设超算系统不仅将推动该校电磁学、材料科学等科研领域的发展,还将促进人才培养工作的开展。“今年学校提出建设系统化的本科实验平台。超算系统投入使用后,学生在本科阶段能尽早地接触到高性能计算,也可以利用这个平台参与科研、完成毕业设计,对提升学生培养质量有很大的帮助。”

据悉,浪潮曾与英特尔、英伟达成立联合实验室合作开发先进的异构计算技术,并与国内多个科研单位一起合作开发基于GPU和MIC的应用软件,具备非常丰富的异构计算技术和应用经验。而此次浪潮除了为西安电子科技大学设计构建超级计算机,还将与该校共同开发我国自主设计的计算电磁学应用软件,从而打破国外商用计算电磁学软件的垄断地位。

我是河北承德人,来西电确实是机缘巧合。

据悉,此次建设的超算系统除了在运算速度上创西北高校最快,还将用上自主开发的数学库。数学库是一组预先构建的编程代码,供开发人员在编写应用程序时调用。浪潮集团高性能服务器产品部总经理刘军表示,目前国内使用最多的还是国外数学库。“在涉及国计民生的关键核心应用领域,一定要有自主可控的数学库。否则,一旦在计算上出现大的偏差,带来的后果将不堪设想。”

在物理领域,电磁理论被誉为可与牛顿力学分庭抗礼的经典科学之一,电池、避雷针等重大发明研究都离不开电磁理论。一个多世纪以来,由电磁理论发展而来的现代电子技术已经应用在电力工程、电子工程、计算机技术等多个领域。计算电磁学是以电磁理论为基础,以高性能计算机技术为工具,运用计算数学方法,专门解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。其早期主要用于国防领域,如雷达、飞机隐身性能、卫星通信等相关研究领域。随着计算技术的发展和科学技术的开放,计算电磁学被广泛应用于移动终端天线设计、高频设备电磁兼容、机场电磁环境仿真等涉及工业设计、医疗、电信的多个领域。

我成长的家庭环境非常简单。我是承德市滦平县人,虽住在县城,但是农村户口。父母文化程度很低,因而从小学到高中,基本都是自己管理自己。小时候的理想就是希望以后能拿到一个商品粮户口。人的理想也是随眼界逐步变化的。

《中国科学报》 (2014-11-04 第4版 综合)

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回想起这段经历,经常感慨“塞翁失马,焉知非福”这句话还是非常有道理的。正是因为来到了西电,才奠定了我后面求学、研究和成长的道路。我觉得非常庆幸,自己注定跟西电有缘。西电的经历,它带给我的影响贯穿我的一生。我一直认为这是我人生非常大也非常重要的一个转折点。

本报讯“很多人都在担心手机基站建在自己的小区附近是否安全。其实,这个问题有两个层面:一是能准确知道周围电磁场有多大;二是研究相应的电磁能量是否会对人体造成伤害。”近日,西北地区高校领域最快的超级计算机在西安电子科技大学投入使用。问及该超算系统的具体应用,西电高性能计算中心张玉向记者介绍说,在高性能计算的推动下,调查人员不需要深入到每一家,就可以精确预知在某小区旁边放置一个天线后,小区里的电磁场是如何分布的,从而判断出电磁辐射有多大。

10月26日,西北地区高校领域最快的超级计算机正式投入使用。该系统由浪潮集团为西安电子科技大学设计构建,创新性地融合了天河1A和天河2号的系统架构特点,采用了先进的CPU GPU MIC三重异构技术,峰值计算性能达86万亿次,将主要用于移动设备天线等的仿真与设计、机载天线布局设计、机场电磁环境仿真等计算电磁学领域的应用研究。

西电的特色非常鲜明。西电人都很踏实,习惯于埋头做事,却不怎么宣传自己——可能做到了百分之百,却很谦虚地对外只说百分之八十。这是西电的传统和风格,从短期看可能会亏;从长远看,坚持这种踏实、不懈追求的风格是没有坏处的。现在一些研究者的功利做法其实是不可取的。做研究应该有明确目标和方向,要持之以恒地把这研究做好。

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到了博士阶段,我做的工作与硕士期间仍一脉相承,同样是与电磁散射和逆散射相关的问题,但层次进一步提高。最重要的成果是提出用微波网络来研究电磁逆散射方法,在当时是一个原创性工作。因此我在读博士三年间就在本领域国际著名刊物上发表SCI论文17篇。有了这些成果,我于93年3月博士毕业,10月份被破格提为副教授。

印象很深的老师很多,例如教电磁场的冯亚伯老师、教天线的周良明老师、教微波技术的廖承恩老师、教微波测量的董树义老师、以及教天线cad设计的宫德明等。尤其是冯亚伯老师对我的影响非常大,因为我做的一系列工作都是基于电磁理论,他的讲授为我奠定了坚持的基础。相反,近几年我在面试研究生时问他们的授课老师是谁,尽管可能只过去一两年,都有的同学已经忘记了老师的名字。这是非常可悲的事。

然而,当目标非常复杂时(如飞机、坦克甚至是航母),分解的网格数十分巨大。网格数越多,求解矩阵方程越困难,代价也越高。用传统的高斯消元法求解,其计算量和未知数的立方成正比。若未知数一万,用计算机可很快求解;如果未知数是十万,求解的时间和计算量就是原来的一千倍。当未知数是一百万或一千万时,计算机也很难求解。为了解决计算问题,便有了一个专门的学科叫做计算电磁学。我们就是寻找新的方法,有效地将复杂目标的计算简化,由原先的不可解变为可解。从本科毕业设计到从美国归来,我一直致力于研究这些简化复杂问题的算法。

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第二个方向是我回国后不久在东南大学开展的。我于2001年底回国,04年1月便开始研究电磁超材料。超材料的英文名是metamaterial,又翻译成新型人工电子材料或新型人工电磁媒质。与自然材料不同,超材料由人工原子构成,其最大好处是可人为设计,因此可实现自然界不存在的材料属性(例如负介电常数和磁导率)。另外,控制人工原子的排列方式也很容易,进而便可进一步操控材料属性。正因为这些特殊性能,电磁波照射到超材料后其反应与普通材料就完全不同,带来一些奇特的物理现象。例如,电磁波照射到介电常数和磁导率均为负的材料时会发生负折射。另一个例子是隐身衣。当我们将物体外围包裹上一层特殊设计的非均匀、各向异性超材料时,根据费马原理,电磁波碰到这个物体后会拐弯绕过这个物体,因此实现完美隐身。正因为超材料能够对电磁波产生非常奇特的反应,因而在物理、光学、材料和信息领域得到极大关注。《科学》杂志在01年、03年和06年三次将超材料工作评为年度十大科技突破,于10年被评为本世纪十大科技突破。超材料为人们控制电磁波提供一种全新方法。

西电的学习风气非常好,对我在西电的求学经历来说尤为重要。大家都非常严谨、刻苦,晚上基本没有人在宿舍闲着,很早就锁门一起去教室自习。你要是不去自习,都会有点内疚感。正是在这样一个学习氛围中我们打牢了自己专业的基础。无论是数学、物理等基础课,还是后来的电磁场等专业课,我都是力争学到最好、最扎实。

目前我的工作主要有两个方向。

崔铁军教授正在接受采访

一是要保持西电这种踏实肯学、谦虚严谨的学风。

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我和父亲在火车站就碰到了接站同学,把我们一行几个新生一起送到了学校。彼时的学校都一样,只提供一个光板床,其他东西都得自己带。我还清楚地记得我被分在26号楼,宿舍在1楼146房间。宿舍里共有六个人,两个河北的、两个陕西的、一个河南的和一个四川的,其中五个都是农村孩子。

有一件关于高数的事我印象很深。我的数理化成绩一直比较好,数学尤其突出。到了大学后,第一学期高数课的期中考试考得不是很好,只得了八十多分。我清楚地记得另一位从河南来的同学考了第一名,九十多分。这次经历让我觉得,即便到了大学也不能放松。我在高中时数学一直是第一名,这一次擅长的数学却没有考好。读中小学时,大家学业和精神上都比较紧张。到了大学总觉得可以松口气了,就有点放羊的感觉。因此这次经历对我来说反而是个好事,从中感受到即便大学跟高中学习环境不一样了,还是要树立踏踏实实学习的观念。自此之后,我大学四年一直比较努力,成绩也很好。

为了深入实施大学文化建设计划,加强与广大校友的联系,不断增进校友与母校的沟通和交流,凝聚校友力量,传递母校情感,扩大校友影响,提升学校声誉,在校长基金特别支持下,由党委宣传部、校友总会、学生工作处等单位联合,日前正式启动了面向各行各业优秀西电人的专访工作。这一专访工作是继“西电往事”之后,学校在讲好西电故事、传承西电精神方面推出的第二个重要策划。为此,我们特开设“西电校友”栏目,对专访内容进行刊载。欢迎广大师生为本栏目提供采访线索,联系邮箱:news@mail.xidian.edu.cn,联系电话:81891719。

2015年3月30日,西电校友工作组专访了正在西安出差的的西安电子科技大学83级校友、东南大学“长江学者”特聘教授崔铁军,以下为采访内容。

我在高中时的成绩还不错,83年高考时数学成绩是承德地区的第一名,因此第一志愿报的是清华大学,第二志愿是西电。但由于当时比较偏科——数理化成绩好,语文、生物差,最终被西电电磁场工程系录取。

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没错。本科时,我的毕业设计是静电场的矩量法,当时我的导师是老校长梁昌洪教授。梁老师提出了一个电磁格点理论,我就据此理论设计了矩量法的一个简化模式。

崔铁军,1987年毕业于西北电讯工程学院电磁场与微波专业,现为东南大学教授、信息科学与工程学院副院长,毫米波国家重点实验室副主任。曾任德国Karlsruhe大学洪堡学者、美国伊利诺伊大学香槟分校研究科学家。崔铁军教授在新型人工电磁材料的理论、实验及应用、计算电磁学及其快速算法、目标特性与目标识别等领域做出了系统而深入的研究。主编专著一部(Springer,2009);作为共同通信作者,在Science上发表论文一篇,作为独立通信作者,在Nature Communications上发表论文2篇,在国际物理、光学、及IEEE刊物发表论文160余篇,研究成果被广泛引用,并被Nature News, MIT-Technology Review, Scientific America, New Scientist, Discovery, Physics World等广为报道,在国际上产生重要影响。研究工作被选为“2010年中国科学十大进展”,并获得2011年度教育部自然科学一等奖。崔铁军教授曾获国际无线电联盟青年科学家奖、江苏省五一劳动奖章、江苏省留学回国先进个人、中国侨联“双百侨界贡献奖”等荣誉,曾任IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 副主编。

读大学是83年,那年我18岁,和父亲一起乘火车到西安的。我们先从承德赶到北京,再从北京坐二十二个小时的火车到西安。刚到西电,感觉跟想象中的大学不太一样。那时候大家想象中的大学是小说或电影中看到的样子,跟现实中的学校必然有区别。尽管和自己的期望有些出入,但整个环境带给我的亲切感非常难忘。

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崔铁军教授与校友总会办公室主任肖刚、宣传部记者付一枫合影

但对于复杂物体,电磁波照射后尽管也有雷达回波或散射特征,但不存在解析解。这时我们需要把复杂物体离散化,将它分解为许多小单元或小网格,把麦克斯韦方程转换成矩阵方程,最后求解矩阵方程,便可获得复杂物体的雷达散射特征。

二是要始终对新生事物保持高度的敏感性。以我自己的经历为例,当时选择超材料也是因为非常偶然的一件事。2004年去新加坡参加PIERS国际会议,在会场见到了电磁领域著名学者、MIT的孔金瓯教授,他向我提到超材料是很好的方向,希望关注一下。我在会上听了一些相关报告,便萌生了向这个方向发展的念头。那时,很多人还不认可超材料的研究,认为这个方向基础不足、发展令人担忧。但我还是认准了超材料的重要性,坚持做下来,取得不少成果。这段经历让我觉得,人一定要对新事物保持高度敏感,许多时候你能捕捉到别人或许不在意的几句话的信息,就有可能开创一番新的天地。保持敏感性,认准之后坚持不懈,不要被一些风言风语所左右,是研究者非常重要的品质。

我们的课题组在微波超材料方面做出了重要贡献,曾与杜克大学史密斯教授课题组合作研制出第一个宽频“地面隐身衣”,发表于2009年1月的《科学》杂志上。之后,我们独立实现了世界上第一个三维地面隐身衣,发表在Nature Communication上。所研究的电磁黑洞在国际上引起很大反响,Science、Nature News、Scientific American、Discovery、 New Scientist、MIT Technology Review等对我们的工作进行了详细报道。除了挖掘新的物理现象,我们还做了很多实用性工作,例如超材料天线、超材料隐身表面、超材料天线罩、超材料透镜等。相关工作荣获2010年中国科学十大进展、2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖。

在回国后的十几年里,我们结合国防需求开发了具有自主知识产权的精确电磁仿真软件和高频电磁散射国家代码软件,可以对大型目标(如飞机、军舰、坦克、汽车等)的电磁散射特性及电磁兼容进行精确和快速仿真,打破了美国及西方国家在这一领域的垄断和禁运。目前这些软件在国防上获得了广泛应用,包括航天、航空、船舶、兵器等。这些成果和我在西电的求学经历是息息相关的。

后来留校工作两年。我萌生出国念头也是受西工大一些学者的影响。西工大那几年出了不少洪堡学者,来西电做介绍。听后我觉得洪堡学者各方面条件挺不错,便尝试着申请。很幸运,申请一次通过。于是,1995年到1997年,我便在德国Karlsruhe大学进行合作研究,从事地下目标电磁探测和成像的研究工作。后来又在美国伊利诺伊大学香槟分校分别做了博士后和研究科学家。

读书过程中的一次选择对我也非常重要。初中毕业时,我有上师专和读高中两个选择(当时师专的分数线较高中高出很多),读了师专便可转成商品粮户口,也是当时农村孩子的梦想。但我想继续学业,倾向于高中。多亏我母亲很有远见,非常支持我的选择,使我继续完成学业,奠定了后面的人生之路。

我们基础课和专业课的老师都非常好。当时大环境下,老师做科研的还比较少,都是一心扑在教学上。他们教学水平高、授课经验丰富、专业知识扎实,认真负责。学生上完课都觉得受益匪浅。当时老师和学生的交流比现在的多,上课后有交流讨论、习题课或考前辅导。

那倒没有,大家学习、生活的节奏完全一样,就是上课、自习。那时候大家都比较单纯,周一到周五非常认真地学习。到了周末,业余活动就是去春游、打排球、看露天电影。说丰富也很丰富,说单调也很单调。

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麦克斯韦是一位伟大的物理学家,把电磁领域的所有定理都统一成麦克斯韦方程。但这个方程具有解析解的条件非常苛刻。比如说,雷达波只有照到非常简单的目标如球体、平板或椭球体时才能用解析方法把其散射特征描述出来。所谓解析方法,即可以用数学公式直接表述出来。

大学毕业后我也没离开西电,一路跟随我的恩师梁昌洪教授读到了博士。

我有两点建议。

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