新时代军备竞赛：核武管家 气象武器与基因战争的挑战

《核武管家+气象武器+基因战争》是一部融合科幻与战争元素的小说。故事背景设定在未来世界，在这个世界中，各国之间的冲突已经不再局限于传统的战争手段。核武管家是新一代的战争管理系统，掌控着国家的核武库，成为了世界霸权争夺的焦点。而气象武器则成为了影响整个地球生态系统的利器，掌握气象武器意味着拥有巨大的影响力。基因战争则是在生物技术的发展下，各国开始利用基因改造来加强自身实力，引发了一场全球性的基因战争。在这个世界中，主人公面临着重重考验，必须掌握先进的科技手段来与敌人作战，同时也必须思考人类社会的未来方向。

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作者：胡汭 员向前 王跃利

核武管家

7月24日，美国媒体报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超算Trinity再次刷新了世界纪录，利用新的算法在两分钟内创建了一万亿个数据文件。Trinity由Cray公司制造，是美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室和桑迪亚国家实验室联合部署的核战略超级计算机，拥有979968个处理器，峰值计算速度可达14137TFLOPS．在最新的世界超算排行榜中排名第十。Trinity的主要工作，是存储美国核武器相关数据，并记录真实核爆及模拟核爆的相关数据。在停止核试验期间，其空闲的计算资源也用于核技术基础研究，包括基础软硬件的研发及试验和新式核能武器的模拟仿真。

超算在核武器方面的应用主要体现在两个方面：一是，维护存储核武数据，确保核武库安全；二是，进行模拟核爆，支撑核武器研发升级。

，美国防部曾发布其核武库的核弹头数量为5113枚，等待拆除的退役核弹头数千枚。这些核武器中的相当一部分生产于冷战时期，如何保障这些核武器的安全，成为超算在核武领域的主要应用之一。对核武库的管理和维护，主要涉及核武器本身与控制核武器存储的机械、电子装置的可靠性，核弹起爆炸药的化学特性，预警系统的灵敏度，以及气压、温湿度等传感器的精度等。为了在安全的前提下延长核武器的服役周期，早期的方法是将武器与弹头分离，通过化学、物理、数学、材料等手段对其进行分析，与核爆炸试验中的相关数据进行对比评估。随着超算技术的发展，这些工作被超算仿真建模替代。通过超算，对核武器存储的控制系统的可靠性、起爆炸药的化学特性等进行建模，模拟预测这些核武器何时会失效，存储控制系统中的哪些部分需要更换，使核武器的安全评估更加客观、准确。

1968年，英、美、苏等59个国家分别在伦敦、华盛顿和莫斯科缔结签署了《不扩散核武器条约》。数十年来，美国并没有开展真正的核爆试验，但从美国发布的核态势评估来看，美国对于核武器的研究一刻也没有停止。通过分析比对，从1945年到1992年进行的1054次核试验中获取的数据，美国利用超算建立核爆数学模型模拟核爆，为新型核武器研发提供数据支撑。

目前，核爆模拟先是通过亚临界核试验得出数据，然后，与以前多次核爆试验数据对比综合，并在超算平台上进行建模和模拟分析，最终得出与实际核爆试验效果基本相同的结果。亚临界试验会产生数以万亿计的粒子，在整个过程中对粒子进行快照（每张快照都是TB级），在它们的轨迹中反复回溯，在整个模拟过程中跟踪粒子，并用超算为每个粒子创建一个文件（Trinity刷新纪录，完成的正是这项工作），在数以万亿计的文件中，通过超算检索找到几千个最有能量的粒子（等离子体），找出相关粒子的路径，消除路径的不确定性。通过超算技术，模拟核武器使用中产生的等离子体，模拟爆炸的状态，通过视频图像还原核爆炸的情景。利用每秒万亿次的计算速度，以及PB(1024TB)级的粒子计算能力，超算可以模拟核反应堆的链式反应，以及裂变或聚变对周围的粒子的影响，为核武器的小型化、实战化提供了试验平台，为核武器的快速发展提供了实践基础。

有测风云

，西班牙《起义报》刊出长篇报道《气象战：警惕美国的军事试验》，气象战及其推动者伯纳德．伊斯特走进人们的视野。《让气候成为一种力量倍加器-2025年掌握气候》的气象战研究报告，明确了美国将气象分析技术列为重点发展的武器技术之一，计划2025年让美军具备掌控200平方公里区域气候的能力。届时，美军将通过人工降雨，使敌军阵地洪水肆虐；制造干旱，使敌人淡水匮乏；制造飓风，使敌城变为废墟；利用激光制造闪电，击落空中的敌机或使其无法起飞：利用微波把热量传到大气中，干扰敌军的通信及雷达系统。

气象武器并非直接由超算产生，但气象武器的研发离不开高精度的气象模型，气象模型的设计和优化，与超算支撑的大量气象数据的采集和处理密不可分。，广州地区每天新增的气象数据为100G以上，全球的数据规模为1.8ZB。到了，仅中国年气象数据就达到0.8ZB。随着气象数据规模激增，超算为气象建模提供了颇多助力，气象模型的水平精度误差由一二百米降至一米以内，“有测风云”变为现实。运用气象武器对战场环境进行干预，从而达到军事目的，成为可能。

用于研究气象武器数据的显着特征是：数据量大，精度和实时性要求高。在民用领域，以欧洲中期天气预报中心的预报模式为例。其模型水平方向分辨率为0.1250x0.1250（间距约15千米），垂直方向上，地面以上80公里的距离划分为91层，每一水平层有两百万个格点，以数小时到数天为时间周期，形成一个四维空间。15至30天的预报，有着30至60公里的水平分辨率和30分钟的时间周期。这样每天两次，有大约四百亿个格点的运算量，要在2.5小时内实时运算完毕。这仅仅是在民用领域，用于武器研究和建模的气象数据的规模远大于此，因此只有超算能够胜任。

20世纪80年代以来，美军收集、整编了全世界上千个机场的气象资料并定期修正，建立了丰富的气象模型。美军先后投资了制造地震的“阿耳戈斯计划”、制造雷电的“天火计划”，以及在飓风周围实施人工降雨以改变风暴方向的“暴风雨计划”等。其中，影响最大的是，1994年，由美国空军和海军联合资助的“高频主动极光研究项目”，代号“竖琴计划”。这些项目的研究和实战化应用，都与气象模型的逐步完善、超算水平的快速发展密不可分。

数值风洞

，我国公布了高超声速飞行器研发成功的消息。《解放军报》报道称．“高精度数值风洞”解决了高超声速飞行器的关键气动问题，为我国飞行器设计手段实现跨越式发展奠定了重要的基础。

什么是数值风洞？数值风洞被看作是建立在超算平台上的风洞。它把风洞、被试装备及要获取的数据进行数学抽象，得到流体动力学方程组（NS方程），通过简化求解，获取飞行器绕流流场参数，分析流动现象与机理，再经过表面积分获取空气动力特性。数值风洞因模拟成本低、效率高、可模拟的条件可变，适用于武器装备设计研发。但是，由于其数学模型及公式求解过程均进行差分和简化，引入误差较大，在可待时间内能求解的NS方程组非常有限，因此在超算出现之前，军事上的应用并不广泛。1976年，随着超算的产生及广泛应用，计算的规模和速度呈级数增长，使NS方程组在可等待时间内求解成为可能。使用超算求解空气动力问题的方法开始得到应用，加上为使用超算解决物理问题而发展起来的精确数值解法，使数值风洞成为继试验、理论之后的第三种空气动力学研究方法。数值风洞在军事领域的应用，使航天飞行器、空天飞机、精确制导武器的研究取得长足的发展，代次更迭速度提高一倍。

数值风洞如何进行建模？计算规模能达到多大量级呢？在飞行器设计和研发过程中，飞机附近的空气动力与飞行器表面的受力情况，是研发工程师们关注的首要问题。与圆周长计算方法相似，最简单的计算方法是将飞行器和空气分割成小块，分别计算每个小块的运动和受力情况，再整合起来得到整体的动力学模型，也就是先微分再积分。显而易见，分割越精细，每个块的体积越小，模型越精确，但计算量也会随着模型的数量呈级数增长，1立方米体积切分为1立方毫米的小块，计算规模就是原来的109。如果用单个CPU核心计算，可能要花上几个月甚至是几年才能得到结果，集大量CPU并行计算于一身的超算，这时就可以大展身手。

近年来，超算支撑下的数值风洞，在超声速武器、战斗机、航天器等装备的设计过程中．扮演越来越重要的角色。在方案设计和初步工程设计阶段，数值风洞已成为主要的设计手段，风洞试验仅仅对最终选定的设计方案进行有限的校核。在详细设计阶段，数值风洞又可作为精确校核计算和进行风洞试验数据修正及飞行相关性研究的重要手段，指导或补充风洞试验。许多情况下，通过其数值计算，甚至可以直接提供设计数据。在如今的美国航空航天界，气动设计工作量的70%是由数值风洞完成，只有30%由风洞试验完成。在解决流体力学问题时，数值风洞与风洞平分秋色，甚至能解决风洞解决不了的一些问题。

基因武器

7月．美国空军教育训练司令部发布这样的招募信息，特别指明需要获取斯拉夫裔欧洲人，尤其是俄罗斯人的核糖核酸(RNA)和滑膜液样本，并称全部样本必须“来自俄罗斯境内的白种人”。这条新闻引发了俄罗斯社会的恐慌，一些俄官员对样本可能会被用于制造细菌生化武器表示警觉和担忧。同时，也引发全球对于人种DNA信息的关注。

20世纪70年代以来，分子化学学科在超算的带动下取得突破性发展，使得以基因重组技术为代表的基因技术应运而生。基因工程刚刚问世，就快速被应用于军事领域，各国竞相投入大量经费和人力研究基因武器。事实上，基因武器是一种新型生物战剂。它运用基因工程技术，按设计者的需要，通过基因重组．把一些特殊的致病基因移植到微生物体内。

超算在基因武器的研发中具有不可替代的作用，包括协助组编和识别研究数据中的模式，以及将遗传序列注释到图像建模中。在超算的辅助下，人类基因测序完成。人类对基因武器的研究越来越深入，对超算的需求也越来越大。基因武器的研发，面临的是几十亿个复杂信息的处理问题。武器研发人员不仅要了解一个细胞中所含蛋白的性状，它们彼此间的相互作用，还需要比较不同生物体蛋白的异同。而此类生物信息学研究，只有借助功能强大的计算机系统才能完成。法国超算Tera，其计算能力欧洲第一、世界第七。它有2560个并行处理器，每秒可对14位数进行20亿次运算，在不到四天的时间内，可实现比较70个蛋白质基因（一个细胞内的所有蛋白）所需的44万亿次运算。与此同时，隶属于美国能源部的超算“康柏”，也在为各个基因研究机构提供相关工具及计算，用于处理解码人类的32亿个碱基所带来的数量惊人的数据。实际上，即便是今天最强大的超算，也不能满足基因武器时代的全部计算需求。据估算，人类每100万个DNA基因中，只有12个真正的基因。在上百万个鱼龙混杂的DNA中，寻找12个真正的基因，其难度可想而知。

由此可见，正是随着人类计算能力的提高，基因技术完成了跨越式的发展：从桑格公开发表胰岛素全序列，到世界上第一个人工合成的蛋白质牛胰岛素诞生，到测定DNA序列的链末端终止法，再到革命性的基因编辑技术CRISPR-Cas9横空出世。随着科技特别是超算技术的快速发展，基因科学的发展让人目不暇接，生命的奥秘是否就此被破译尚未可知，但基因武器一旦用于实战，无异于将整个物种体系置于悬崖之上。

计算战争

随着超算在军事运筹、战场计算领域的迅速布局，战争正在走向“计算为王”的新时代。超算正在以前所未有的广度与深度影响着战争的全域，推动着新一轮军事变革，战争形态和面貌正悄然改变。

纵观人类战争史，“多算胜，少算不胜”是最直观的制胜机理。超算的应用，可以使作战模拟跨越式发展，使作战计算的维度更广，精度更高，耗时更短。在美国，仅兰德公司一家，就进行过1900多次模拟台海战争。它不仅能提高优化方案和预测战局的水平，还能更精确地预测战争涉及的兵力规模、弹药消耗、持续时间和保障需求等，显着提升对战争设计的能力，以极少的伤亡获取最大的利益。

2000年，兰德公司发表《恐怖的海峡：美国对台海军事政策的选择》研究报告，旨在确定台湾保持足够防御态势以对抗大陆的关键因素，为美国政府提出建议。报告中考虑了七个关键的不确定性因素．考察这些因素对于可能的台海冲突造成的影响，选取作战模型(JICM)进行计算，并对结果进行探索性分析。在所有计算结果中，研究人员发现，若干关键参数对战果有显着影响。例如，当台湾空军战机的出动率分别为100%和50%时，台湾对大陆的优势分别达60%和40%，说明台湾空军战机的出动率对作战结果有较大影响，因而，应该确保台湾空军基地在战时重压下保持正常运转。如此分析，报告得出台湾军队优先发展的能力与美军干预策略的重要性排序。

10月，美国密苏里大学地理空间情报中心公布的一份研究成果显示，该中心基于超算开发了一种深度学习算法模型，能够在一小时内识别出中国东南沿海数十万平方公里内的导弹发射场，其分辨速度是人类分析师的85倍，准确率达到87.2%。

近年来，美、俄等国军队都将目光投向了超算在战场计算方面的研发和应用，意图利用超算的速度优势，在最短时间内穷尽战场态势，选择最优方案，掌握决策先机。今年7月，俄罗斯武器制造商卡拉什尼科夫公司宣称，该公司已研制出基于超级计算单元的全自动战斗模块，能做到发现即摧毁。另外，美军正在研发自动化数据分析工具、自动目标识别软件、机载智能决策助手、数字化空中作战规划员等智能工具，意图在决策周期各个环节上减轻情报和作战人员的负担，提高决策效率。

可以预见，随着超算在军事领域越来越多地转化为战斗力，战场上的作战反应时间将越来越短，战争场面将空前激烈。

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