本周，我们探索超级计算机的科学!我们会发现它们是如何工作的，以及它们是如何回答科学中的一些重大问题的。我们还听说了世界社区网格，它为科学家提供由世界各地的志愿者捐赠的计算机时间。在新闻中，我们听到计算机辅助设计如何帮助乳房修复，为什么只有一组染色体的特殊干细胞可以帮助遗传学家，以及地球上珍贵的黄金是如何来自外太空的。此外，我们还将在本周问题中探索计算器的工作原理!
在这一集里
应用CAD重建乳腺组织
本周，一个国际研究小组报告了他们如何使用计算机辅助设计(或CAD)建立一个精确的模具，可以帮助癌症患者重建乳房。
该研究发表在《生物制造》杂志上，研究小组对健康乳房进行了激光扫描，然后使用CAD软件制作了一个定制的硅支架。到目前为止，这个模型只被外科医生用作重建手术的视觉指导。但研究人员希望，这种3D支架可以很快与组织工程结合使用。
该研究的第一作者、昆士兰科技大学的迪特马尔·赫特马赫教授希望用这个CAD模型作为病人自身细胞生长的支架，这意味着一个特定生长的植入物可以被放回病人体内。最终的结果将是一个新的乳房，由病人自己的组织制成，与原来的乳房完全对称。
该研究还调查了外科医生使用该3D模型作为视觉指导的情况下，患者对手术的满意度。与那些使用传统方法(如纸笔)的患者相比，这些患者对最终结果的满意度确实更高。因此，如果组织工程成功，这项技术可以减轻乳房切除术的影响，并可以扩展到其他需要精确替换组织的应用中。
地球是如何获得黄金的
我们用来装饰自己的大多数珠宝都是登上地球的
陨石，最近的研究表明。
45亿年前，地球的早期存在充满了暴风雨。原地球、月球和火星大小的物体之间经常发生大规模碰撞，这些物体从形成太阳系的尘埃盘中与我们的世界一起聚集。
这些撞击的能量导致地球完全融化。在由此产生的巨大熔融球内，重元素，如铁，向中心下沉，后来形成了现在的行星核心。然后，较轻的硅酸盐像卡布奇诺泡沫一样浮到顶部。
但问题就在这里，因为像金和铂这样的重元素被称为亲铁元素。它们很容易与铁结合，因此，当地球处于熔融状态时，当铁沉入地心时，它们应该被拉入地核。相反，这些贵重金属在地球外层的含量实际上比应有的含量高出1%左右。
有一种理论认为，在行星内部遇到的非常高的压力下，铁以某种方式释放了对贵金属的控制，贵金属被挤压到地表。但是，尽管这种解释似乎是合理的，但它只适用于某些因素，因此不能说明全部情况。
现在，布里斯托尔大学的科学家们通过大海捞针的方法，找到了支持一个更优雅的解决方案的证据——在地球冷却后，一场强烈的流星雨使被剥夺了黄金的地球表面重新充满了金属。
Matthias Willbold和他的同事在自然他的理由是，当地球处于熔融状态时，钨元素会与金元素一起进入铁核，使地球地幔中的钨相对减少，而另一种倾向于硅酸盐的元素铪-182富集。但是铪-182会发生放射性衰变，变成钨-182。因此，地球表面的钨-182含量应该比后来到达的任何陨石都要高。因此，如果能在早期地球上找到含有预测的钨-182含量的岩石，这将支持地球后来被一批大陨石重新浮出水面的假设，这些陨石也可能含有黄金和其他贵金属。
令人难以置信的是，该团队能够找到这样一组样本。38亿年前的岩石，来自格陵兰岛的伊苏亚，是同位素的直接匹配。
威尔伯德说:“这有力地支持了在5亿年的‘晚期重轰击’阶段添加到地球表面的‘晚期贴面’物质的沉积。”“一些非常大的撞击物撞击了地球，并重新覆盖了表面……但幸运的是，在格陵兰岛的这些岩石的情况下，并不是所有地方……”
具有单组染色体的特殊干细胞
与剑桥大学的Anton Wutz合作
戴安娜:本周还有一条新闻，剑桥大学的研究人员创造出了只包含一组染色体的哺乳动物干细胞。大多数哺乳动物细胞是二倍体——它们每条染色体都有两个副本。对于希望研究单个基因功能的细胞生物学家和遗传学家来说，这是一个复杂的问题。现在加入我们讨论这项工作的是Anton Wutz博士。你好。
安东-晚上好，谢谢你们邀请我。
戴安娜:不客气。很高兴你能来。你能从为什么单倍体哺乳动物细胞有用开始吗?
安东-就像你刚才说的，基本上，正常的动物细胞是二倍体。也就是说，它们有两条染色体，一条来自父亲，一条来自母亲。所以基本上，每个基因在细胞中都有两个拷贝。基因组包含生物体发育所需的所有信息，科学家已经获得了所有这些基因的序列。然而，我们仍然必须弄清楚这些基因是如何相互作用的，以及它们对发育的总体贡献是什么。从这个意义上说，如果你失去了一个特定基因的功能，看看会发生什么，并寻找它对发育的影响，这已经被证明是非常富有成效的。如果你现在试图在二倍体细胞中突变基因，很难击中同一基因的两个副本，因此，很难确定这个基因的丢失对细胞有什么影响。在单倍体细胞中，你只有一条染色体，因此，如果你引入一个特定的突变，自动地，基因功能被削弱，你可以研究结果的影响。
戴安娜:我明白了。所以，不需要配对，只要有一条染色体和你想要研究的基因，就可以省去额外的不确定因素。
安东-是的。基本上，基因组有一种备份拷贝，这在单倍体的情况下是缺乏的。
戴安娜:我明白了。那么你是如何创造这些单倍体细胞的呢?
(c)由国家人类基因组研究所提供
Anton——人们早就知道，在哺乳动物中，你可以激活卵细胞或卵母细胞，欺骗它认为自己受精了，而不需要通过精子提供父亲的基因组，而精子是在正常受精过程中引入的。所以，通过化学操作，你可以激活一个卵细胞，它会分裂，形成一个只有母体染色体的胚胎。我们现在取出这些胚胎，从囊胚阶段取出一小块细胞团，并将其置于近年来由许多小组高度优化的培养条件中。这使我们能够在培养中诱导这些单倍体胚胎细胞的增殖，并使我们能够在培养中保持永久的增殖能力，使细胞系不断生长。
戴安娜:你把它们放进活的东西里了吗?
Anton:我们培养的细胞类型被称为胚胎干细胞，传统的二倍体胚胎干细胞有能力形成胚胎的所有细胞类型——老鼠胚胎——所以我们对单倍体胚胎干细胞的潜力非常感兴趣。所以我们把我们的干细胞引入老鼠的囊胚中，看看它们是否能促进发育，在很大程度上，它们确实能。所以它们可以形成多个器官，并在胚胎中形成不同类型的细胞。然而，我们注意到，当它们进入发育阶段并分化为功能细胞类型时，它们会进行二倍体分裂。因此基因组的内容变得更加正常。
戴安娜:他们最终会得到成对的染色体，而不是单个的。你认为他们为什么会回到那个状态?
Anton:我们对此不是很清楚，但有一种想法是，在哺乳动物中，雌性哺乳动物，两条X染色体中的一条失活，这是为了补偿雄性基因组的剂量，雄性基因组只有一条X染色体，也有一条y染色体。所以有一种观点认为，这些细胞不会平衡，所以正常的发育程序是为一条活跃的x染色体和两组常染色体而优化的。在单倍体的情况下，我们有一条x染色体而不是一组常染色体。所以x染色体的剂量过高了两倍。我们认为，通过复制母体染色体，这些细胞现在可以再次使两条x染色体中的一条失活，从而使发育具有更正常的基因表达模式。
戴安娜:我明白了。所以即使在单倍体状态下你也能让细胞表现得相当正常，但这是否能给遗传学的另一个领域，即表观遗传学带来启示呢?
安东:事实上，单倍体的可能性现在将是研究不同的途径。这可以包括细胞信号传导和代谢途径，当然，我的团队也对表观遗传途径感兴趣，在发育过程中起作用的基因调控途径。我认为我们可以通过获得合适的报告结构来调整这些细胞，使它们能够选择表观遗传突变，并研究这些过程是如何被调节的，特别是在哺乳动物中。
戴安娜:所以这真的可以在遗传学上开辟一个全新的领域。那太棒了!谢谢你，安东。这是剑桥大学的Anton Wutz，他的研究发表在本周的《自然》杂志上。
热伪装
任何温暖的东西都会发光，如果它很热，它会在可见光下发光，但即使在体温下，你也会发出不可见的红外光。如果你看过警匪片，你可能看过热感摄像机的镜头，它可以探测到这种光。
这种发光不仅对罪犯来说是个问题，对军队来说也是个问题，因为一辆伪装得很漂亮的坦克在常规光线下看起来仍然和热红外线下的坦克一样。
总部位于瑞典的BAE系统公司开发了一种新型迷彩，可能会有所帮助。它通过在你的水箱上盖上很多电热泵来做到这一点，我想这些电热泵可以从透明的空气中抽出热量，所以热的时候不会发光。这些像素可以非常迅速地加热或冷却水箱表面，并且每个泵的温度可以单独设置，因此它们像像素一样工作。
这意味着像素可以设置为模仿坦克后面的温度和景观模式，或者因为这永远不会完美，它可以设置为使坦克假装成汽车或任何其他物体。
他们还可以把像船这样的东西的像素做得更大，因为没有必要让它在附近看不见，显然这个系统相当强大，实际上增加了车辆的装甲。
最后一个南方古猿?
本周的科学新闻中到处都是关于南方古猿源泉种的新发现。这个特别的早期人类自2010年以来一直在我们的节目中出现，当时威特沃特斯兰德大学的李·伯杰教授首次发表了他的发现。这些化石的重要之处在于，在近200万年的历史中，它们保存得非常完好，它们展示了南方古猿和这个物种的特征
人类。南方古猿是那些大脑较小的早期人类，但有时可以用两条腿走路——而智人往往有更大的大脑，几乎完全用两条腿走路。
发表在《科学》杂志上的研究表明，源泉种具有这两个种群的一些特征。还有一些其他的发现将源泉种置于南方古猿和人属之间:它有弓形的脚，但跟猿的脚跟和小腿很像;它有尖牙，很大，但没有南方古猿那么大。
sediba的骨盆形状也与早期的南方古猿有所不同。扁平的，被称为髂叶的部分非常厚，垂直方向，就像你在现代人身上看到的那样。但没有任何迹象表明这些变化实际上与大脑更大的婴儿有关。因此，作者非常谨慎地假设，sediba的臀部通过更像人的行走变得更像人，并且不需要更大的大脑来驱动骨盆的某些变化。
此外，这块化石可能会提供一些关于东南亚神秘的早期人类——弗洛勒斯人(霍比特人)的答案。你可以在我们的网站thenakedscientists.com上对李·伯杰教授进行的半小时特别采访中了解更多。
社会减肥，年轻的植物和登月
马修·杜林，俄亥俄州立大学，伊扎·拉德斯卡，伍尔弗汉普顿大学，约翰·埃尔林，斯德哥尔摩大学，马克·罗宾逊，美国宇航局
社交减肥方法
积极的社交生活有助于减肥。
人体内有两种脂肪——储存能量的“白色”脂肪和燃烧能量的“棕色”脂肪。俄亥俄州立大学(Ohio State University)的马修·杜林(Matthew During)和他的同事发现，把老鼠放在一个有更多老鼠、更多空间和玩具的、具有挑战性的、社交互动的环境中，会导致老鼠数量大大减少。
“因此，当我们观察这些动物并观察脂肪时，它显着减少了。总脂肪减少了50%到70%脂肪从白色脂肪变成棕色脂肪，使其抵抗肥胖，并使其长期健康。”马修
阅读更多:
下丘脑-脂肪细胞轴的遗传和环境激活诱导的白色到棕色脂肪表型转换曹磊，刘向兰，Adam Martin，王传松，徐晓华，Matthew J. During;细胞代谢- 2011年9月7日(Vol. 14, Issue 3, pp. 324-338) DOI: 10.1016/j.cmet.2011.06.020
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保护益生菌
一种新的生物聚合物可以提高益生菌友好菌的有效性。
到目前为止，益生菌制造商面临的主要挑战是获得足够的细菌以在胃的酸性条件下生存。
但是现在，来自伍尔弗汉普顿大学的Iza Radecka团队已经开发出一种聚合物作为保护涂层。
延长的生存时间将允许更多的细菌进入肠道，发挥作用。
“这是一种细菌聚合物，它是水溶性的，可生物降解的，可食用的。例如，我们将未被涂层和被涂层的细菌放入模拟胃液中。两个小时后，那些没有涂上涂层的都不剩了，但涂上我们聚合物的那些几乎100%完好无损地存活了下来。”现Radecka
阅读更多:新的聚合物研究可以促进益生菌产业
伍尔弗汉普顿大学新闻稿;这项工作在普通微生物学会上发表
2011年9月5日至7日在约克举行的秋季会议
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不会变老的植物
在比利牛斯山脉深处发现的一种草本植物可以存活长达300年而没有任何衰老的迹象。
斯德哥尔摩大学的约翰·埃尔莱姆和他的同事研究了260年前的这种植物样本Borderea pyrenaica，以进一步了解老化的角色和重要性。
“我们没有发现任何证据表明表现会随着年龄的增长而下降。没有衰老的迹象。随着年龄的增长，生长和繁殖保持不变，存活率随年龄的增长而增加。所以实际上，随着年龄的增长，表现也在提高。重要的发现是有很多理论上的争论。如果每个生物体都必须衰老，或者选择是否实际上有利于不衰老，研究不同的器官将弄清楚为什么衰老有时很重要，为什么它有时似乎不存在。”约翰Ehrlen
阅读更多:
玛丽亚·加西亚;约翰·达尔格伦;Ehrlen,约翰;没有证据表明一种有300年历史的山药会衰老;生态学杂志;(2011);DOI: 10.1111 / j.1365-2745.2011.01871.x
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个性化3D耳机
索尼推出了一款个人3D观看耳机，作为其不断扩大的3D技术范围的一部分。
这款头戴式显示器于本周在柏林举行的IFA 2011消费电子展上发布，其头戴式显示器旨在提供身临其境的3D体验。
这款未来感十足的头戴式耳机配有耳机，使用两块高清屏幕，将不同的视频传送给观看者的眼睛，创造出一种3D幻觉。但这款设备并不便宜，目前的零售价为785美元。
阅读更多:
“纯粹的沉浸感:电影院就是为你准备的”——索尼新闻发布
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美国宇航局登月
最后，美国宇航局发布了阿波罗登月的高分辨率图像。
美国宇航局的月球侦察轨道飞行器捕捉到了阿波罗12号、14号和17号着陆时最清晰的图像。
美国宇航局的马克·罗宾逊在观看阿波罗17号着陆时解释说，使用低空窄角相机，这些图像清楚地显示了宇航员在月球表面以及月球车的运动。
“你可以非常清楚地看到宇航员的轨迹和美丽、清晰的平行线，这些平行线是月球车的轨迹。这很简洁，因为你知道房车的样子，如果你真的眯着眼睛，你可以开始解决座椅和车轮向左转动的事实。”马克。罗宾逊
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| 你可以看到更多登月的图片 在这里。 |
用野花吸引蜜蜂-行星地球在线
雷丁大学的罗宾·布莱克和马克·罗宾斯
戴夫:在过去的几年里，英国政府推出了各种各样的计划，向农民支付报酬，让他们在农田边缘种植草皮。这个想法是为了鼓励野生动物，但研究表明，种植野花可能会更好。雷丁大学的罗宾·布莱克的研究表明，通过鼓励鲜花，农民也会鼓励黄蜂，而黄蜂的数量目前也在减少。行星地球播客主持人理查德·霍林厄姆在伯克郡雷丁附近的一个田野里和罗宾一起观察这个实验是如何进行的。
知更鸟——草带真的很常见，虽然它们提供了一些生物多样性的好处，例如地面筑巢的鸟类或掠食性无脊椎动物，如蜘蛛和甲虫，因为没有任何野花存在，没有什么可以吸引昆虫传粉者。
理查德-那你后来做了什么?
Robin:我们的项目正在研究两种不同的管理方法。所以我们加入了野花，我们也使用了杀谷物剂。这是一种草除草剂，它的目的是抑制草的生长，让野花有机会在条带上生根发芽。
让我们看看这条带子。我们前面有野花，很明显的野花，你得帮我辨认一下。好吧，这是什么?
罗宾:我们这里有一朵氧化雏菊，它正在开花……这是knapweed，这是蓍草，草草，里脊草，车前草。这里有鸟脚三叶草，黄色的花。
再往下就是一片草地了。
罗宾:那是英国许多草地边缘的代表。
理查德-你有野花，有大黄蜂吗?
罗宾:是的。我们有。在种植了野花和除草剂的地块上，我们可以看到大黄蜂的数量比现有的草地增加了25倍。不仅仅是大黄蜂，还有独居的蜜蜂，蜜蜂，蝴蝶。
理查德-所以这证明它有效?
罗宾:是的。
理查德:好的。好吧，让我们和一位农民谈谈，马克·罗宾斯，他经营着这里的庄园。很棒，不是吗?
马克:看起来真是太棒了，我很自豪能让他们成为我们的管家。我们在2003年制定了这些边际，这些混合物是英国自然协会要求我们制定的，是我在1996年种地时制定的处方，它们只是草。我一直认为他们在环保方面很无趣。所以当罗宾走过来说他想尝试一些东西时，我抓住了这个机会，因为我想看看我们是否被证明是正确的，而事实证明我们是正确的。
理查德:这其中有什么区别吗?在努力上有什么区别吗?在金钱上有什么区别吗?如果你只是离开这片土地，你就会得到草，但如果你想要漂亮的野花，你必须主动喷洒一些东西来抑制草。
马克:在某种程度上你是完全正确的，但你要记住的是，在2003年这些条带被放入之前，有一种作物一直长到树篱。所以我们必须积极地种草，我们必须积极地把码头、荨麻和蓟草挡在外面。所以在某种程度上是的，你是对的。但在另一个层面上，如果你要在一块地的边缘种植一个新的管理带，你也可以种植一些能提供某种好处的东西，这就是我们在这里看到的。它确实依赖于补贴，但我把这些东西放在这里的出发点是，如果我们能在补贴的基础上提供某种环境效益，那么人们就会觉得自己在尽自己的一份力量。我们现在有了这些混合和边缘，实际上你提供了一个真正的好处，而不仅仅是草条，没有什么用处。
理查德:你也注意到蜜蜂来了吗?
马克:是的。当你在采访罗宾的时候，如果你仔细观察一下细节，你可以看到那里的活动。如果我们站在草地的其余部分，我很确定你不会看到很多东西。回到传粉者和其他东西，我们有春天的亚麻籽，现在已经开花了。这是一个更好的例子，作为农业，作为食物的消费者，我们需要这些传粉者来确保田地里的作物被授粉。在这里，一边是亚麻籽，一边是昆虫活动，鼓励大黄蜂和花蜜蜜蜂进入这条地带。所以它似乎是有效的。
理查德-罗宾，这是一个很好的例子，它让我印象深刻，科学应用于现实世界就是我右边生长的作物。
罗宾:是的。当然，我认为同样重要的是，看看这些边缘的栖息地如何被用来帮助作物，你知道，因为很明显，蜜蜂在亚麻籽等作物的授粉中很重要。
这是研究。你接下来要做什么，因为你需要其他农民的帮助……
罗宾:我所做的研究，我只关注了英格兰南部的四个农场。虽然我们已经在这四个农场复制了这些结果，但如果我想让政策制定者倾听，那么我认为我们需要更多的数据，关于英国各地的农场。但更重要的是，我们需要让农民自己做这些治疗，并真正证明这些治疗是有效的。
戴夫-这是雷丁大学的罗宾·布莱克和农民马克·罗宾斯在黑暗的伯克郡某处的田野里对地球主持人理查德·霍林厄姆的谈话。
超级计算机是如何工作的?
克里斯·梅纳德，爱丁堡并行计算中心
戴安娜:超级计算机，顾名思义，是功能极其强大的计算设备。它们被用于模拟极端复杂的系统，如天气，以及量子物理中需要的高精度模拟和复杂计算。所以这可能是分子模型，它甚至可以预测革命和许多其他的事情。爱丁堡并行计算中心(EPCC)为爱丁堡大学和工业界提供计算资源。我们请来了克里斯·梅纳德博士。你好。
克里斯·m -你好。
戴安娜:那么你能告诉我们，什么是超级计算机吗?
超级计算机是一种可以非常快速地执行计算的计算机，比普通计算机快得多。通常，这是通过并行计算完成的，让许多处理单元或节点一起工作。这些节点中的每一个都可以是台式电脑或笔记本电脑中的一台计算机，但它们如何在硬件上连接在一起以及它们如何合作解决问题对计算速度非常重要。
戴安娜:那这是什么结构?这些东西会有多大，它们的功耗是多少，每个部件的速度是多少?
Chris M. -举个例子，我们和其他合作伙伴一起运营英国国家高性能计算服务赫克托，这是由科学技术办公室通过EPSRC的高端计算项目资助的。这台特殊的机器叫做赫克托，是克雷XE6。它有1856个节点，每个节点都是一个12核的Opteron处理器，所以总共有44544个核。每个Opterons都配有克雷双子座路由和通信芯片。总的来说，它有一个非常大的内存，大约60太字节，它的理论峰值性能是每秒360万亿次浮点运算，也就是每秒360万亿次浮点运算，是英国最快的计算机，在世界上排名第24位。
戴安娜:好吧，那么这些数字真的很高。我的意思是，这会让我可怜的老式笔记本电脑黯然失色，但是一旦你有了这个硬件，在它上面的软件是什么呢?与你在日常电脑上使用的普通程序相比，它是如何工作的?
超级计算机的超级之处在于这些计算节点是如何耦合在一起的。所以你有一些硬件来做这件事，但你必须写一些软件，使它们能够相互交谈。通常，对于科学编程，您可能拥有的是消息传递模型。所以我们会把问题分散到很多处理器上每个处理器都有少量的本地数据然后每个处理器对这些本地数据进行相同的计算，但是在计算过程中的某个时刻，在计算过程中，处理器之间必须相互通信。所以，你会向你的邻居发送一条消息有一个通信网格他们会通过你向右边的邻居发送一些数据你会从左边的邻居那里接收到数据，然后你可以在很多维度上这样做;上，下，左，右，前后，取决于问题。
Diana:好吧，既然你已经有了这种通信软件，这是否意味着你要开发它，而不是每次都重建一台新的超级计算机，因为很明显，那样做的费用一定很大?
克里斯·m -是的，绝对是。所以你要尝试用这个编程模型让所有的处理器都能相互通信你要用通常使用的语言写一个科学程序比如C或者Fortran然后如果你要用这个消息传递模型，有一个叫做MPI的通信库你可以在多台机器上使用。
戴安娜:超级计算机的发展速度和普通计算机一样吗?
Chris M. -这是一个非常有趣的问题，因为有一种叫做摩尔定律的东西，这是一种经验观察，硅区域内的晶体管数量每18个月左右就会翻一番。从60年代开始就是这样的如果你有一个更小的电路，你的电脑可以运行得更快，但也会更热。也许从2005年左右开始，我们已经不可能在足够快的时间内将足够的能量输入和输出到芯片上，所以它变得太热了。所以你不能再把它作为一个电脑芯片来运行了，但是你可以把它们作为两个芯片或四个芯片来运行，或者更多的芯片，这样你就可以在一个芯片上的一块硅上得到更多的核心。但现在，如果你有很多这样的节点在一起，那么多核，你现在有更复杂的通信模式之间的东西，可以看到同一块内存在一个芯片和东西不能，然后必须沟通，以发送一个信息在芯片之间。
戴安娜:真的，这就像是用很多神经元构建一个大脑。但你在爱丁堡做什么科学研究?你用你的超级计算机建立了什么模型?
克里斯·m -让我给你举个例子-上周，你谈到了科学家对心脏对药物的反应进行建模。在EPCC，我们和牛津大学国王学院的一些科学家一起做了一些工作来改善他们的心脏电生理计算模型的性能，现在它可以在比以前更多的处理器或核心上运行，现在有16000个处理器或核心，这意味着他们可以做1秒的心脏模拟，这将花费他们一分钟而不是一个多小时。这是一个很大的进步，它运行得更快，但如果你想用这个模型来指导手术，那么你需要能够实时地进行。
戴安娜:我明白了。所以这对医学也有帮助，对外科医生也有帮助。
克里斯·m -当然。另一个例子是，如果你看今晚的夜空，就在犁的那一边，你可以看到一颗爆炸的超新星如果你想尝试理解超新星是如何工作的，你可以尝试在超级计算机上运行一个计算。
超级计算机是用来做什么的?
Paul Calleja，剑桥大学
Dave -剑桥大学高性能计算资源，或HPC，为大学的研究人员提供计算设施。高性能计算主任Paul Calleja带我参观了他们名为达尔文的计算机系统。
Paul:你看到的是一个商用X86服务器的机架，所以我们在一个机架上有32台服务器，每个机架总共包含128个处理器，这可能是你在家里的台式电脑上看到的。戴夫:所以我猜对于一台超级计算机来说，最重要的事情就是把它们连接起来。似乎有一些看起来像标准的网络电缆，还有一些其他的连接器，我实际上不认识……
保罗:我们有标准的以太网络来处理我们的数据和管理，还有一个叫做Infiniband的专业网络来处理我们的并行处理。因此，Infiniband网络特别具有高带宽和低延迟，因此从一台服务器到另一台服务器接收消息所需的时间非常短，而我们可以发送的数据量非常大。
戴夫:这一点非常重要，如果你的电脑在房间的不同位置，如果它们在处理同一个问题，它们可能想要沟通，尽可能快地沟通是非常重要的。
保罗:是的。所以在这个房间里，我们总共有800多台服务器。这些服务器中大约有4000个CPU内核，所有服务器可以同时与所有服务器通信，带宽约为每秒3gb。
戴夫:那么，使用大量本质上标准的硬件比使用专有的硬件有什么优势呢?
Paul -标准化导致了价格的急剧下降，所以价格点已经下降了100倍，而且商品市场的发展速度非常快。所以我们每两年就能从计算机工业的进步中得到双倍的回报。
Paul -标准化导致了价格的急剧下降，所以价格点已经下降了100倍，而且商品市场的发展速度非常快。所以我们每两年就能从计算机工业的进步中得到双倍的回报。戴夫:为了解释更多关于达尔文的知识，保罗来到演播室。嗨,保罗。
保罗-嗨，戴夫。
戴夫:那么达尔文和赫克托耳有什么不同呢?
我们之前说过吗在爱丁堡?
达尔文和赫克托都是同类中最好的，紧密耦合的超级计算机，这意味着它们被设计为在机器周围发送信息的最大性能。在这方面，它们是一样的。达尔文与赫克托耳的不同之处在于，达尔文是一台由标准的现成组件制成的商品机器，而赫克托耳是一台专有机器。两台机器中的处理器实际上都是商品，但达尔文有一个商品互连，而赫克托有一个专有的互连。因此，我们所说的使超级计算机成为超级计算机的互连在达尔文是开放的，基本上，我们拥有所有的技术以及它们是如何组合在一起的，而在赫克托耳，你的供应商拥有技术。
戴夫:所以我想这是一个优势。这意味着你获得了更多的灵活性，而且成本更低，因为如果任何人都可以构建工具包，那么成本就会低得多。
Paul -是的，你自己拥有的附加值越多，供应商能向你收取的附加值就越少，所以你可以降低价格点，而且，进步的速度也更快，所以，这导致了多年来超级计算的巨大进步。
戴夫:那你到底在剑桥用你的超级计算机做什么?
Paul: Cambridge主要用于剑桥大学的研究，我们的机器上有来自65个研究小组的400多名用户。这些人在过去的四年里发表了大约300篇论文，他们非常活跃地从事各种科学研究。我可以告诉你其中的一些。
戴夫:所以本质上，他们决定要做点什么，然后他们写一些代码并发送给你并运行它?
保罗-是的，有一系列的活动。例如，机器上最近的一个新活动是UKQCD联盟。这是一个来自英国的研究团队;格拉斯哥和其他地方，他们正在做非常复杂的计算来观察物质的本质。他们正在研究被称为量子色动力学的强相互作用，并将计算结果与他们从欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验中得到的实验数据进行比较。这是很常见的，所以你的科学家有一个理论，他有计算，试图证实这个理论，然后他将其与实验进行比较。这些计算可能非常大。
戴夫:量子色动力学是指将原子核结合在一起的力。
保罗:对，没错。
戴夫:我听说很长一段时间以来，实际计算它们几乎是不可能的。
Paul -是的，你所说的网格单元在你的矩阵中有上百万个点，你需要计算，他们需要一遍又一遍地计算，然后他们得到原子质量的表达式，他们可以非常准确地比较。如果两个数字一致，你就知道你的理论是正确的。这就是模拟在许多不同领域的应用。
戴夫-那你还在忙什么?
保罗:我们还在研究其他的事情，我们和阿登布鲁克斯医院合作，他们在医院里有一个基因测序设备，他们有很多下一代基因测序机器，可以根据特定的疾病病例来检查你的基因序列。他们在医院里生成所有的数据，然后通过10Gb的以太网链接发送到我们在镇中心的机器上，我们处理数据，然后把答案发回给他们。
戴夫:所以他们试图比较很多不同的基因组，找出哪些基因组与不同的疾病有关?
保罗-是的。现在在诊所里，很常见的是你可能会被特定疾病的基因分型，你需要迅速得到答案。他们在医院里没有计算的设备而我们有，所以我们和他们合作来做这个。这是一个很有趣的问题。
最近另一个有趣的项目是普朗克卫星。剑桥大学的天文学系正在从普朗克卫星上收集大量关于宇宙微波背景辐射的数据。这是非常多的数据，给了你关于早期宇宙的信息。再一次，我们收到这些数据，我们用很多蒙特卡罗模拟来计算，然后把结果发回。
戴夫:所以你目前提出的所有建议都涉及到大量的数据，并且处理起来很困难，诸如此类的事情?
保罗:是的，这是最近人们经常谈论的“数据泛滥”。数据的增长速度令人难以置信——量子色动力学的家伙们在大约4个月的时间里就填满了100tb的光盘。他们本来打算用三年的!我们现在有大约600tb的数据。明年，我们将会有一个拍字节，一个拍字节就是一千个太字节，而且还会呈指数级增长。事实上，数据需求的增长速度是计算机需求的五倍。
戴夫:所以这将是未来的一大挑战。
保罗-是的。目前的主要挑战是你如何构建你的系统，让所有的数据从计算机流向数据，然后一旦数据流向那里，你怎么处理它，你如何存储它，你如何分析它，你如何保存它?
世界社区网格
与IBM研究院的Joe Jasinski合作
世界社区网格是一个创建世界上最大的公共计算网络的项目，以帮助推动科学研究，特别是造福人类的研究。所以设计药物或寻找治疗疾病的方法。该电网于2004年启动，由IBM运营。为了了解有关该项目的更多信息，克里斯·史密斯采访了....公司医疗保健和生命科学研究部主任乔·亚辛斯基
Joe -世界社区网格是一群研究人员和一群普通公民，他们共同努力，在某种意义上建立了世界上最大的超级计算机之一，以解决我们认为对人类有益的问题。所以，网格是什么，任何人都可以加入。它是用你自己的个人电脑或你自己的计算机加入计算机网络，这些计算机由科学家使用，他们正在与世界社区网格一起做项目，做计算，否则他们不可能做，因为他们没有足够的计算能力。
所以它的工作方式是你去worldcommunitygrid.org,你可以注册您的机器或机器和我们一个屏幕保护程序下载到您的机器,当你不使用你的电脑,这是大部分时间甚至如果你有它,你坐在前面,我们可以做一些计算,最终当他们完成之后,我们将结果发送回一个中央计算机我们称之为头节点。
在我们完成了足够的计算之后，我们把数据呈现给主要的研究人员，那些在世界社区网格上进行探索的科学家们，然后他们就能理解他们的问题，并有希望发现一些新的东西，比如治疗艾滋病毒/艾滋病或登革热的新药，或者找到一种新的塑料材料，使廉价的太阳能外壳成为可能。
克里斯-听起来很棒。有多少台电脑或者有多少用户参与了这个项目?
Joe -所以我们有超过50万的会员，可能是个人，也可能是像学校或大学这样的机构，我们总共有大约180万台计算机是由这些会员注册的。网格本身由大约180万个节点组成，我们称之为单个处理器，它们可以用于解决这些问题。
Chris:那么，总的来说，在任何时刻，你实际上能够利用网格多少计算时间?
Joe -问题在你的电脑后台运行，所以它只使用后台周期，但如果你假设一个合理的PC或其他类型的机器，那么我们肯定在万亿次浮点运算范围内。每秒可以进行数万亿次浮点运算。
克里斯-所以这是否使它成为地球上目前拥有的最强大的计算资源之一?
Joe -它是目前地球上最强大的计算机之一，但它只擅长处理某些被称为尴尬并行的问题。整个问题必须在每台机器上运行，而不是在更传统的科学超级计算机上，一个问题在同一台机器上运行数千个处理器。
Chris -换句话说，有些问题可以被分解成很多小块并以并行的方式很好地工作，就像你做的那样，但有些问题实际上有点像下棋，如果你这样做，那么这个必须发生，然后那个必须发生，还有一些顺序问题超级计算机会比你的系统更擅长。
乔:是的，这是基本的想法。我们并没有把问题分解成小块。我们所做的实验是这样的，你想测试一堆不同的化合物这些化合物可能是对抗艾滋病的好药物;假设你有一千种药物化合物要测试你有十几种蛋白质你想看看这些药物是否能粘附在上面。你每次都需要做大量的计算来弄清楚这是否正确。
假设你必须做一个非常简单的计算这个分子粘在这个蛋白质上吗?但是为了得到完整的答案，你需要做一百万次这样的计算。如果你只有一台计算机，你要做100万次这样的计算假设计算只花了一秒钟，那么实际上在你的一台计算机上完成所有的计算需要超过一万年的时间。
另一方面，如果我有一百万台计算机，我可以同时在这一百万台计算机上运行一个单独的计算，它将花费一秒钟的时间，这就是世界社区网格所做的。虽然没有那么快，但我们可以在几分钟或几小时内完成，而不是几年，几个月或几千年。
克里斯:那么你的项目和搜寻地外文明计划项目或折叠它的倡议，人们试图通过下载一个屏幕保护程序来计算蛋白质的结构，例如分析蛋白质的一部分?
乔:从技术的角度来看，这是同一种技术。与世界社区网格的区别在于，它是一个非盈利组织，我们不专注于一个特定的问题。所以搜寻地外文明计划专注于分析来自太空的信号，而Fold则专注于分析蛋白质折叠，它们都是由单个个体或单个项目控制的。
世界社区网格通过向大学或其他非营利组织的研究人员征集项目来开展工作，如果我们相信你的计算可以在网格上有效地运行，如果我们相信你的项目的结果实际上可能对人类有益，就像我们可以发现一种治疗被遗忘疾病的新药或一种有助于环境的新材料，然后我们给你在网格上的时间，你可以运行只要它需要完成你的项目。所以IBM实际上提供了所谓的“头节点”——控制所有其他机器的机器，我们基本上使主要研究人员很容易把他们的问题放到网格上，然后把他们的数据从网格上拿回来。
Chris -那么你们在同一时间有多少大项目在考虑之中，还有哪些项目在等待进入电网?
Joe -目前，我们有9个项目在进行中，它们处于不同的阶段。等候名单其实很短。所以，如果在座的听众中有教师或与研究机构有关的人，他们从事的是不以营利为目的的工作，而你有兴趣申请参加网格的时间……在这个项目中有两种人——一种是申请网格时间的科学家，看看他们是否能解决他们的问题;另一种是任何人——科学家，任何想贡献他们计算时间的普通人——所以基本上，你可以是其中之一，也可以是两者兼而有之。
Chris:你刚才想说，如果有人想参与进来，他们应该怎么做?你的求告信寄给谁?
乔-所以你就去
worldcommunitygrid.org如果你是一名PI，网页上有一个部分告诉你如何申请时间。如果你想从你的电脑上贡献时间，有一个章节告诉你如何下载屏幕保护程序。你可以组成团队。我们有一些组织团队的机构。你可以根据你的团队做了多少计算来得分。你这样做不会得到任何奖励但人们会对此非常感兴趣如果你贡献了时间，你可以做的另一件事是我们对所有这些项目都有很好的评论。它们是用非常简单的术语写的，所以几乎每个人都能理解科学家想要完成什么以及它是如何工作的。如果你愿意，你可以选择这些项目，让你的机器工作。
克里斯:最后我们来听听目前为止的一些成功案例。那么你有哪些项目取得了成果呢?结果如何?
Joe -这些项目的成果大多是在科学文献中发表的。在我们的“在家抗击艾滋病”项目中，我们利用世界社区网格来发现潜在的新型艾滋病药物。当然，测试这些新化合物是否真的对治疗艾滋病有用还需要很多很多年，但任何一种药物的发现过程都是如此。
我们还与一位调查员合作，他对寻找廉价的塑料材料来制造廉价的太阳能外壳很感兴趣。再一次，他使用世界社区网格进行了大量的计算，这些计算对于他现有的计算机来说太大了。他已经能够测试和发现一些潜在的令人兴奋的新材料。
超级计算机与普通计算机相比如何?
保罗:首先，我想说这是规模的问题，一台普通的计算机只有一个处理器，一台超级计算机也有同样的处理器，但可能有10万个。所以处理器是一样的，但规模不同，然后超级计算机的互连是完全不同的，所以你可以快速传递大量数据。戴夫:所以，仅仅把很多普通的计算机用网线连接起来，并不一定能使它成为一台超级计算机。保罗:除非你有一个专业的网络，当然，在这个网络之上有很多软件层，然后是真正神奇的应用程序。
科学能否开发出一种超级计算机，让我的笔记本电脑免于死机?
Chris M. -原则上，当人们设计芯片时，他们确实会在电脑上使用模拟器来了解芯片是如何工作的，你可能会注意到的另一件事是，当你的笔记本电脑崩溃时，你会得到一个小弹出消息说，“你能把崩溃信息发送给微软吗?”-例如，如果你运行的是微软的操作系统。他们这样做的原因是他们试图收集数据和信息，关于为什么笔记本电脑或电脑崩溃，这样他们就可以建立一个模型或数学模型。现在，如果你有一个数学模型，你就可以在超级计算机上运行它，并尝试预测，并找出你的笔记本电脑崩溃的原因。所以答案是肯定的。
保持电脑冷却的能源成本是多少?
保罗:这完全取决于你的空调系统，但在剑桥，我们的电力成本占我们总运行成本的25%，在这种情况下大约是Ã?每年25万英镑。冷却是1/3的功率，所以在Ã?为了让它保持凉爽，每年要花费8万英镑。戴夫:我猜如果你只是在处理一台单独的笔记本电脑，那么它们的冷却效果将远远低于(作为一个比例)，因为它只是运行一个小风扇。保罗:在笔记本电脑里，你可以被动地冷却到空气中，而我们必须主动地把热量带走。
如果没有人类，自动化系统能运行多久?
保罗:实际上，我们之前的超级计算机是一台Sun，在没有人为干预的情况下运行了大约3个月。(我不会解释为什么会这样!)我们现在的机器可能只能运行几个星期。
为什么电火花是蓝色的?
戴夫:电火花本质上是电流穿过气体，在这样做的时候，它必须把电子从气体中剥离出来。有时这些电子与原子重新结合，此时它们以光的形式释放出大量能量。不同的气体释放出不同颜色的光。所以氩产生紫色，氦通常是红色，钠作为一种气体产生非常明亮的橙色，这是你从钠路灯看到的，而氮，构成了大部分空气，发出蓝色的光。所以，火花本质上是氮发光。戴安娜:对，所以如果你在金星上点燃火花，你可能会得到完全不同的颜色。戴夫:是的。金星的大气主要是二氧化碳，我认为二氧化碳肯定会发出一种黄绿色的光。
我们能从地核中获取金属吗?
戴夫:这确实是个不错的主意，特别是因为那里显然有那么多金子。实际上，我认为答案是否定的。要想在地核下面挖一条隧道，那是一段非常长的路，即使你愿意挖一条2000公里长的隧道，你也得支撑它的两边。下面的压力绝对是巨大的，高得离谱即使你忽略了它大约有6000摄氏度的事实。这是不实际的。在太空中找到一些小行星要容易得多，因为它们含有黄金。
计算器是怎么工作的?
我们向mathgurus.info的数学老师Jeffrey Zilahee提出了这个问题…
Jeffrey -我们都知道计算器是一种快速的小机器，它可以以惊人的速度进行计算，并使人类成为计算更精确的物种，但确切地说，它们是如何工作的?好吧，无论你是在谈论科学，金融图表，甚至是手机上的计算器，它们都以类似的方式工作。简而言之，计算器就像它们的老大哥计算机一样，通过两种状态来理解一切。我们称之为二进制，具体来说，这两种状态要么是0，要么是1。所以，当我们按下计算器上的按钮时，这些按钮与传感器相连，传感器将电流发送到计算器的集成电路中。这个电路包含了晶体管，这些晶体管为解决任何给定的计算建立了一个逻辑框架，晶体管越多，计算器的功能就可能越先进。晶体管利用电处于用1表示的导通状态和用0表示的关断状态。因此，当计算器想要将两个数相加时，它首先将这两个数转换成二进制。例如，4将被表示为1-0-0,2将被表示为1-0。从这里开始，加法的过程由每列相加到0、1或两个1来决定，在这种情况下，1将进入下一列，因为计算器无法理解2。 Once the calculator has the answer since it is in binary, it turns on a series of lines and/or pixels to create the visual match of the number that we understand which is decimal or as mathematicians call it - base 10. Part of the reason why calculators are so quick is because at their core, they're relying on electrical impulses which travel at the speed of light.
戴安娜:所以，计算器，就像电脑一样，把所有东西都转换成二进制或2进制，因为它允许数字被转换成电信号，要么打开“1”，要么关闭“0”。为了显示答案，它会把这个信息发送到它的液晶屏幕上，你们中有液晶电视监视器或时钟的人可能知道，这些显示器是通过在过滤器之间的分子层上施加电压来工作的，电压的变化会使这些液晶看起来不透明或透明。
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