4月9日-13日，2024 ASC世界大学生超级计算机竞赛（ASC24）总决赛即将在上海大学举行。从全球300多支参赛队伍中晋级的25支队伍将共同向一道火星探索难题发起挑战——在新一代火星大气模式（Global Open Planetary atmospheric model for Mars，简称GoMars）的动力框架下，通过优化并行通信和提高计算负载均衡，尽可能提升程序运行效率，以实现对火星大气状态更加精细、高效的求解预测，为火星探测任务的顺利实施打下基础。

火星探测为何要做大气模拟，为什么需要使用超算？今年ASC为何出这样一道赛题？对此，GoMars赛题专家、中国科学院大气物理研究所高级工程师董理进行了解答。

火星：地球的“孪生兄弟”

火星是地球的近邻，被认为是和地球最相似的太阳系行星，它和地球一样四季分明，每一天的长度差不多，因此人类近年来在不断探索移居火星的可能性。但火星体积只有地球的六分之一，重力大约是地球的三分之一，且火星上没有生命的迹象，其96%的大气成分是二氧化碳。研究显示，火星历史上曾存在大量液态水，甚至可能是汪洋大海，但现在为何变成了一颗荒芜的“沙漠星球”？火星是地球的过往，还是未来的归宿？人类未来是否真的能够移居火星？

人类自20世纪60年代，迄今为止共开展了50余次火星探测任务，包括10次成功着陆探测。近年来，中国在火星探索方面取得了一系列突出成就，如天问一号发布中国首次火星探测火星全球影像图，祝融号火星车观测数据显示现代火星存在液态水。

火星探测，天气预报先行

火星没有海洋和湖泊，其表面大气环境条件严酷，会周期性出现全球性沙尘暴。而火星探测器着陆或上升系统对大气中风、密度或温度因素非常敏感，火星大气涡旋可能对火箭的下降和上升系统产生影响，例如燃料耗尽、不能完全减速或使降落伞系统倾斜等等。因此，在挑选登陆时间与地点时，必须将火星大气环境作为重要考虑因素之一。

而火星大气的直接观测数据很少，火星大气模式是研究火星大气环境的重要方法。通过数值建模，科学家们可以模拟火星地表温度、环流、沙尘、极区干冰等，发现火星的大气变化规律，进而做出天气预报，为火星探测器的发射时间和着陆地点选择提供支撑。

中国计划实施“天问三号”探测任务，将完成人类第一次火星采样返回，这一过程比“天问一号”任务更加复杂，对高精度火星天气预报的需求也更加迫切，这意味着更精细化的火星大气模式。而模式分辨率越高、物理过程越精细、模式积分计算量越大，对计算能力的要求就越高，需要使用超算进行模拟和预测。

ASC激励大学生探索火星奥秘

今年，放眼浩瀚宇宙，聚焦行星大气，ASC24超算竞赛选择新一代火星大气模式GoMars作为赛题，引导参赛大学生运用超算去探索火星奥秘。

根据“天问一号”、“祝融号”、“维京1号”、“维京2号”火星探测器的观测结果，以及国际火星大气全球数据集，GoMars可以模拟火星大气环境中沙尘、水和二氧化碳三个关键气象元素的循环，对火星地表气压、地表温度、纬向风、极地冰和沙尘等进行较好的模拟。而GoMars中用于流体计算的动力框架GMCORE基于经纬网格构建，面向高分辨率模拟设计，需要满足高效性和准确性的双重考验，其中极具挑战性的问题是如何优化并行通信和提高计算负载均衡。

董理表示，GoMars赛题对参赛大学生而言是一项艰巨的挑战。选手们需要在给定的动力框架标准测试算例约束下，在保证计算精度的同时尽量缩短程序运行时间。这不仅需要参赛团队深入理解和掌握GoMars框架，还需要发挥高性能并行计算能力，在模拟精度、效率等多个维度中进行合理的平衡，从而获得理想的结果。这道赛题不仅能够考察各参赛队在行星科学、计算流体力学、计算机等综合学科方面的能力，也有助于激发参赛选手乃至更多科技人才探索火星的兴趣和热情。

ASC世界大学生超级计算机竞赛（ASC Student Supercomputer Challenge）由中国发起组织，并得到亚洲及欧美相关专家和机构支持，旨在通过大赛平台推动各国及地区间超算青年人才交流和培养，提升超算应用水平和研发能力,发挥超算的科技驱动力，促进科技与产业创新。ASC超算大赛迄今已举行至第十一届，吸引来自全球六大洲上万名大学生报名参赛，是全球最大规模的大学生超算竞赛。