科學家與超級電腦如何攜手合作將海水變成飲用水

去除海水中的鹽分是一項艱鉅的挑戰。研究人員可能找到了答案,但這需要大量的運算處理能力才能完成。

Rene Chun

Aleksandr Noy 對一種超細小的工具有著遠大的計劃。身為勞倫斯利佛摩國家實驗室的資深研究學者,Noy 在研究生涯中投入大量心力,希望能改善海水淡化技術,更有效率地去除海水中的鹽分,而他深信奈米碳管正是解決之道。2006 年,Noy 大膽採納了一個激進的理論:奈米管線這種細小到唯有透過電子顯微鏡才看得到的圓柱體,也許可以做為海水淡化的過濾器。而這一切都取決於管線的寬度。管線的開口必須大到能讓水分子通過,但也必須小到能阻擋較大鹽粒,因為正是這些鹽粒導致海水不宜飲用。將足夠的奈米碳管組裝起來後,或許就會變成世界上最有效率的淨水機器。

奈米碳管到底有多細小?

蜘蛛絲的寬度

4,000 奈米

50 個奈米碳管

每個 0.8 奈米

大部分的實驗室同僚都將這個想法視為不切實際的空談。Noy 表示:「難以想像水要怎麼通過這麼細小的管線。」但假如奈米管線理論是對的,其效益將無可計量。世界上許多區域都面臨飲用水短缺的危機;如今有 12 億人 (約全球六分之一的人口) 生活在水資源匱乏的地區。海水淡化有助於解決這項問題,但現有的基礎建設需要大量能源 (亦即鉅額成本) 才能加熱海水,或對海水加壓以通過複雜的過濾器。假如奈米管線確實可發揮效用,就能大幅舒緩全球缺水危機。

Noy 的小組設置了一個簡單的過濾實驗,並讓實驗徹夜執行。隔天早上,兩名助手在實驗室的地板上發現一灘水。這表示水通過奈米管線的速度實在太快,連用來裝水的小貯水池都滿到溢出來了。研究人員後來證實,通過奈米碳管的水流量,比通過現今海水淡化廠過濾器的水流量高出六倍。

那雖然只是一小灘水,但卻是 Noy 研究生涯中最大的發現之一。Noy 回憶道:「沒有人知道會發生什麼事,因此最後的實驗結果令人相當振奮。」現在大家知道實驗結果了,但仍然有艱鉅的難題待解決。如果有足夠的運算能力,或許就能克服這個挑戰。

幸運的是,科學家即將開發出「百萬兆級運算處理系統」(Google 很可能會以透過雲端連結大量機器的方式來實現這個目標)。百萬兆級運算處理能力是相當驚人的技術,即使是現今最強大的超級電腦也相形見絀。這種極致的處理能力將成為研究人員的重要資產,協助他們找出將奈米管線變成大型海水過濾器的方法。這些管線以及流經其中的數十億分子都太過微小,讓相關人員難以深入研究,而要實際檢驗各種變數更是困難又耗時。只要透過百萬兆級運算處理電腦建立模型,就能更詳盡地探究這些細小管線,大幅加快奈米管線海水淡化研究的進度。事實上,這項技術將有助於解決現今最棘手的幾個環境問題。

百萬兆級運算處理能力的願景

大幅提升運算速度有助於克服曾經看似不可能的挑戰,並帶來重大突破。

  • 藥物研發圖片
    藥物研發

    想像研究人員從上兆種的藥物組合中,為每個人找出最適合的專屬療程。

  • 天氣預報圖片
    天氣預報

    氣象學家可以處理大量資料來追蹤惡劣天候,並提早最多四週的時間向可能會受惡劣天候影響的民眾發出警報。

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    語言翻譯

    即時語言翻譯可能成為智慧型手機的常見功能。

為不熟悉矽谷專業術語的人說明一下,百萬兆級運算處理能力是指新一代超級電腦所提供的計算能力,具有這類能力的機器每秒可進行百萬兆次計算。這比當今處理速度最快的超級電腦,也就是中國的神威太湖之光 (Sunway TaihuLight) 還要強大近 11 倍。換個方法來解釋,這樣大約等於五千萬台聯網筆記型電腦的運算處理能力。

全世界都競相打造第一台百萬兆級運算處理機器。這類機器可讓科學家以全新角度接觸理論物理學和長期天氣預報等各種領域,但像 Noy 在做的這種奈米管線研究,很可能會是最先發揮強化運算能力優勢的幾個專案之一。

Google Brain 小組的研究學者 George Dahl 表示:「電腦運算能力的突破性發展,對材料科學、藥物研發以及化學領域都有莫大幫助。」Dahl 進一步解釋,這些領域的研究都必須建立分子的電腦模型,而這需要大量運算處理能力才能完成。「我們要分析的每一個分子或每一種材料,都必須經過漫長費時的運算。」

他更接著補充,機器學習因為運算能力提升而有良好進展,如果能運用到分子模擬作業將事半功倍。「你可以在材料科學研究中,運用機器學習技術來發現全新材料。」

這類進展將有助於研發品質更完善、成本更低的海水過濾器。除此之外,百萬兆級運算處理系統還能以其他方式改善地球水資源短缺的問題。

百萬兆級運算處理系統在處理巨量資料方面效能傑出,能夠在海水過濾這類專案的研發上提供一臂之力。海水過濾專案是由 Google 工程師暨 Earth Engine 平台的共同創辦人 Noel Gorelick,聯手該平台負責水資源分析的資深開發人員服務代表 Tyler Erickson 一同執行。這個雲端平台會分析全球的環境資料。近期由 Gorelick 與歐盟執委會的聯合研究中心 (European Commission’s Joint Research Centre) 主導的一大計劃,目標正是為全球的地表水域建立高解析度的地圖。研究小組透過 Earth Engine 資料查看 30 多年來的衛星影像,對地球水體的演變進行對應及測量,揭露出消失的湖泊與乾涸的河流,以及新形成的水體。即使是在所有必要資料都已完成的假設下,光是要下載這些資料,一般運算處理系統就得花三年的時間。Erickson 表示,這是相當龐大的檔案,但百萬兆級運算處理系統能夠協助小組以飛快的速度收集更多資訊,製作更精確的地圖。

Erickson 指出:「如果能擁有更強大的處理能力,我們就能將觸角伸及其他資料來源。」他認為百萬兆級運算處理機器有潛力激發全世界最被低估的資源力量:公民科學家。假使任何操控無人機拍攝 HD 高畫質影片的民眾都能參與這項水資源地圖繪製專案,「這樣肯定能收集到非常驚人的資料量。」Erickson 如此表示。高中生可以操控 DJI Phantoms 無人機飛越河流和河口,並將拍攝到的影片上傳到 Google Cloud,進而透過百萬兆級運算處理能力輸出成 Google 基本世界地圖的地理參考檔案,經分析萃取成數位製圖。這種科學民主化的實踐,有助於農業規劃、區域防災準備,甚至能監控生態系統的變化 (為了鼓勵其他機構發展類似專案,Google 在 2014 年宣布捐贈 1 PB 的雲端儲存空間供氣候資料使用,以及五千萬小時的 Google Earth Engine 平台運算處理單元)。

Dahl 很快補充道,處理能力的突破性發展並不能解決所有運算處理方面的挑戰。然而他也表示,真正能夠發揮這項能力的應用,可能遠遠超出我們的想像。他舉了顯微鏡的發明做為例子,科學家後來才發現這項裝置具有拯救性命的功用。他說:「也許我們從未考慮過的用途,突然間會變得無比實用。或許超級電腦可協助我們打造出像顯微鏡這樣的全新工具,為我們帶來嶄新的發現。」

地球上的水只有 3% 是乾淨的飲用水

而我們只能取用其中的一小部分。
淡水的總量。可惜的是,幾乎所有的淡水都封在冰河、極地冰帽以及地底深處。

高效能電腦運算是以每秒浮點運算次數 (FLOPS) 為測量單位。無論是筆記型電腦,還是世界上運算速度最快的超級電腦,任何機器都適用這項指標。每秒浮點運算次數越多,代表處理速度越快;處理速度越快,代表解析度越高,或者說能夠看到更詳盡的細節;而解析度越高,代表更精確的電腦模擬圖片和預測結果。這對美國國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration) 這類機構來說助益良多,原因是這類機構會使用電腦預測天氣模式、氣候變遷,以及遠洋和沿岸洋流的阻斷情形。

百萬兆浮點運算系統每秒可以執行 1018 (百萬兆) 次計算。

NOAA 希望能在 2020 年代採用百萬兆級運算處理系統。NOAA 高效能電腦運算與通訊部門副部長 Brian D. Gross 表示:「這個系統能使我們提早更多的時間,向民眾提供更準確、範圍更精細的惡劣天氣警報,讓民眾的生命和財產受到更完善的保護。」科學家可預測極端氣候事件 (例如颶風),協助民眾做好防範,使整個地區的受損程度和死亡人數降到最低。

為了讓大家瞭解這個電腦運算能力的規模,Gross 解釋道,他們的部門在 2000 年代使用的是每秒進行一兆次浮點運算 (teraflops) 的系統,可以準確追蹤約略相當於一個州/省面積的大尺度天氣狀況,而現在使用的是每秒進行一千兆次浮點運算 (petaflops) 的系統,可以準確追蹤相當於一個郡面積的天氣狀況。百萬兆級的運算處理能力將能讓 NOAA 追蹤更精細的小尺度天氣狀況,例如精確地找出範圍小如一座城市的雷雨。有了如此高的解析度,就能呈現出更詳盡的資訊,讓研究人員進一步掌握大小風暴的動態和發展模式。Gross 表示:「解析度較高的模組可以更準確地模擬大尺度的天氣系統 (例如颶風),進而改善降雨量和風暴路徑的預測結果。」換句話說,如果幾年後氣象預報員還無法準確預測未來五天的天氣,那他們可就難辭其咎了。而我們則可以更清楚地掌握往後每一個超級風暴的動向,瞭解風暴將在什麼時候侵襲什麼地方。

百萬兆級的運算處理能力可協助解決淡水短缺問題

在運算速度更快的超級電腦輔助下,海水淡化和去汙過濾器的研究人員將可提高全球飲用水的總量。

取得淡水是全球人類共同面臨的挑戰。從地下水資源枯竭的沙烏地阿拉伯、土壤乾裂的巴西,到素有北美穀倉之稱卻因乾旱肆虐而地表龜裂的北美大平原,大規模缺水危機正迫在眉睫。2012 年美國情治報告指出,淡水短缺問題甚至會影響國家安全。到了 2030 年,全球的淡水需求量預計將比供給量高出 40%。

全球暖化、雨量減少、人口增加,以及汙染與貧窮加劇,這些攸關人類基本需求的挑戰,表面上看似難以克服。但 Aleksandr Noy 仍然深信,只要有百萬兆級運算處理機器,他將可打造出奈米管線薄膜來過濾海水及拯救世人。他表示:「透過如此強大的電腦運算能力,我們將可在開始實驗之前快速模擬各種情況,進而將心力放在真正重要的實驗上。這可為我們帶來莫大的幫助。」但在打造出奈米管線薄膜之前,還有許多尚待釐清之處:如果要讓水通過奈米管線,那麼管線究竟要多寬?最適合在當中嵌入大量奈米管線的薄膜材料是什麼?奈米管線要如何排列?Noy 的博士後研究員同事 Ramya Tunuguntla 表示:「雖然奈米管線模型的研究人員可以先進行模擬作業,但產生的數據仍有許多不一致的地方。這是我們必須克服的挑戰。」跟 Noy 一樣,她也認為更強大的超級電腦可以使他們的研究更上一層樓,她說:「透過百萬兆級運算處理能力,我們可以執行模擬作業更長的時間,藉此收集更多資料。」

2023 年,利佛摩國家實驗室將會安裝一台全新的電腦。這部名為「Sierra」的機器所具備的數據處理能力是現今系統的四到六倍。在 Sierra 問世後,我們或許很快就能運用百萬兆級運算處理能力,細細品味那些需要每秒百萬兆次運算才能處理完畢的絕美高畫質圖片。事實上,百萬兆級運算處理機器可能在 2023 年之前就會以其他形式誕生。利佛摩國家實驗室的一位頂尖研究員表示,第一台百萬兆級運算處理機器將在 2020 年左右於美國問世,而最有可能在這場超級電腦競賽中獲勝的中國,則宣稱將在今年底或明年初發表所謂「旗艦超級電腦 (super-supercomputer)」的原型。

兩屆戈登貝爾獎 (Gordon Bell Prize) 得主,同時也是蘇黎世 IBM 研究中心的百萬兆級運算處理能力專家 Costas Bekas 指出,百萬兆級運算處理能力還不是終點,電腦運算能力將繼續進化。他認為終有一天,電腦模型能使我們超越分子層級,進一步以原子層級檢視宇宙萬物。

Bekas 更表示:「有了百萬兆級運算處理能力後,我們終於能夠以合理的時間和心力,探究奈米碳管的運作方式這類極其複雜的事物。百萬兆浮點運算能力無法拯救世界。人類面臨的問題太多了,但這項技術絕對可以使地球變得更適合人居。」

回到勞倫斯利佛摩國家實驗室,Aleksandr Noy 和 Ramya Tunuguntla 正將另一個奈米管線薄膜放入試驗裝置、啟動機器,然後收集更多資料。在不久的將來,他們和百萬兆級運算處理能力,或許能夠改善數十億人的生活。

RENE CHUN 是一位作家,目前居住在紐約。他的作品刊登在各大報章雜誌上,包括《紐約時報》、《The Atlantic》、《Wired》和《君子》雜誌。

動畫製作者:Justin Poulsen
插畫製作者:Matthew Hollister

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