核武器试验比以往任何时候都更重要

炸弹零散地运抵。工人们在沙漠中钢筋混凝土墙后面组装装置，将放射性材料与高爆炸药结合起来。它被命名为“凯尔萨奇”。

在一个炎热的1988年8月的一天，工作人员将炸弹通过一个钻入内华达试验场数千英尺的孔洞放下，然后用数百万磅的沙子将其掩埋。

三十英里外，洛斯阿拉莫斯主任齐格弗里德·赫克尔（Siegfried Hecker）紧张地坐在控制室里。七位苏联顶尖核科学家聚精会神地看着。赫克尔心想，如果炸弹哑火了怎么办？美国的核威慑力会怎样？

官员们已经就这项联合核查实验谈判了多年。美国和苏联长期以来一直在对其武库中较大的武器进行试爆，既是为了确保它们确实有效，也是为了展示武力。双方都愿意永久停止引爆最大的炸弹，但首先科学家们需要一种方法来核实违规行为。每个国家都将在对方的炸弹上测试其监测技术。如果今天的核试验顺利，它可能就是最后几次试验之一。

引爆命令发出。“凯尔萨奇”爆炸，其能量是广岛原子弹的10倍。炸弹的生命体征通过电缆迅速传输，随后电缆汽化。十万个原始数据点输入电脑，最终证实了理论与现实的一致性。大地颤抖。90英里外的拉斯维加斯，特罗皮卡纳酒店的台球桌上方的灯具摇曳。

“哦，感谢上帝，”赫克尔想。后来，他的苏联同行在午餐时向他祝贺。他们的目光相遇。那感觉就像照镜子一样。“世界……将永远不会再一样了，”赫克尔说，他的职位最初由原子弹之父罗伯特·奥本海默担任。

接下来的几年里，冷战结束了，沙漠震动的日子也一去不复返。

1992年，老布什总统不情愿地签署了一项为期九个月的核武器试验暂停令。几十年来，相互保证毁灭一直是军事力量的基石。试验向世界表明，任何人发动核打击都将是自杀。没有试验，科学家们需要一种新方法来证明美国的武库是安全可靠的。他们原本打算让炸弹只使用10到15年——而有些炸弹已经有几十年的历史了。而且由于科学家们长期以来依赖爆炸试验而非理论模型，他们并不完全了解炸弹的物理原理。现在他们必须预测老化放射性部件如何改变“老龄化武器”的性能。

自20世纪40年代曼哈顿计划以来，高性能计算机一直是武器实验室的必备品。因此，对于科学家来说，它们是显而易见的未来方向。如果他们不能再引爆核武器，科学家们就会模拟爆炸。但首先，他们需要比世界上任何已有的计算机快10000倍的计算机。发明了原子时代的实验室必须加速进入数字时代。

而现在，在地缘政治紧张局势日益加剧之际，核武器设计师们再次试图引发一场新的技术革命。美国正斥资1万亿美元来现代化其老化的核武器库，从潜艇和飞机到翻新的弹头，另有数十亿美元用于突破超级计算机的极限。旧的竞争已经重新开始。一个新的对手也出现了：中国。当中美两国竞相建造第一台与人脑一样强大的机器时，它们也将有助于改进天气预报和医疗治疗。但是，正如过去二十年一样，这项新技术将为真正的目标服务：翻新和维护我们的核弹。

核弹如何运作

核弹头就像牛油果。它们形状相似，都有一个叫做“核”的内核。炸弹的核通常有葡萄柚大小，通常是中空的，内衬钚。弹头周围不是美味的绿色果肉，而是向内瞄准的高爆炸药，以产生内爆。这会将钚核挤压到如此致密，以至于粒子开始撞击钚原子核，字面意思就是分裂原子并释放其惊人的能量。这种简单的设计适用于1945年在长崎引爆的“胖子”原子弹（上图）。但今天库存的弹头是热核装置，通常称为氢弹，因为它们使用氢。这些弹头有一个次级阶段——就像钚核旁边的第二个核。当第一个核发生核爆炸时，其辐射会从第二个核的硬化外壳上反弹并反射回内部。第一次爆炸会在次级核内部引发核聚变，使爆炸威力更大。

一颗无声的炸弹

美国的现代核计划是一个工程师出身的官僚维克·赖斯（Vic Reis）的构想。他在老布什总统任内管理国防高级研究计划局（DARPA）——军队的研究机构——随后在1993年，比尔·克林顿总统任命他负责能源部的国防研究。随着前苏联的解体，关于炸弹未来的争论愈演愈烈。武器实验室和军方希望恢复试验，但其他人则希望永久延长禁令。

赖斯在一份不起眼的备忘录中提出了一个中间方案。在他看来，美国已经引爆了1000枚核弹。再多几枚也无法揭示现有武器的太多信息。重要的是，为了保持军事领先，必须创建一个真正挑战实验室的项目。维持威慑力将需要科学上的优势。赖斯将新项目命名为“基于科学的库存管理计划”。如果核武器研究不基于物理试验，那么基于什么呢？

为了弄清楚这一点，赖斯召集了来自三个武器实验室——新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯和桑迪亚，以及劳伦斯利弗莫尔——的顶尖科学家和主任。他们围着一块白板，开始建立这个新的无试验计划。资金水平将与核试验时保持不变，每年大约40亿到50亿美元，但他们将轮流建造世界上最大的计算机，并仅仅“假装”引爆炸弹。因此，自1992年以来，我们所有的核试验都是模拟的。

但并非所有人都赞同。许多老派科学家认为计算机模型无法取代测试。这个想法本身就违反了科学方法的基本概念——假设和测试。“我们的武器设计师非常怀疑，甚至非常消极，”赫克尔说。“作为主任，我必须进来并说，‘嗯，那真是太糟糕了。’”

洛斯阿拉莫斯武器计划负责人鲍勃·韦伯斯特表示，真实测试使得在正确的温度、密度、压力等条件下研究炸弹变得相对容易。因此，即使是仅限计算机模拟的爆炸，他们也需要进行物理实验——包括爆炸物和数十亿美元的激光设施——以便将真实数据输入模拟，并将其用作验证结果的检查。

这种方法令人望而生畏。“不清楚它是否会奏效，”韦伯斯特说。武器实验室的任务是每年认证库存的健康状况。如果某个特定的武器系统存在重大问题，国家可能不得不将其退役，或者匆忙重建生产它的核设施——甚至在极端情况下恢复测试。

主要有两大障碍：我们仍然不完全了解钚，而且我们没有足够的计算能力。

生存101

即使在冷战高峰期——约翰·F·肯尼迪建议家庭建造防空洞——许多美国人仍然怀疑我们是否会被核打击。如果真的发生，大多数人认为我们会在全球末日中丧生。

那么，如何让人们为一场不太可能发生、看似无法幸免的灾难做好准备呢？新泽西州史蒂文斯理工学院的核弹历史学家亚历克斯·韦勒斯坦说，这仍然是应急管理人员的一个难题。

几年前，他提出了一个项目，重新审视如何与美国人谈论核威胁的准备和风险。起初，他的团队很难引起兴趣——直到2017年。在朝鲜进行导弹试验后，甚至联邦应急管理局也突然要求提供培训帮助。但美国人——或他们的政府机构——仍然没有像他们应该的那样做好准备。

韦勒斯坦希望他的研究能有所帮助。他说，目标不是吓唬人。而是将核弹视为真实存在，而不是好莱坞末日片的替身。这包括告诉人们，如果你在主爆炸半径之外，你将面临的最大直接威胁是窗户破碎和天花板上的东西掉落。“躲到桌子底下可能会大大提高你的生存几率，”他说。

这是基本要素

钚在自然界中并不存在。人类在20世纪40年代发明了它，驯服这种致命金属也许是曼哈顿计划最大的挑战。奥本海默称之为“可怕的物质”。它是一种非常难以处理的材料，甚至他的科学家们在它的密度问题上都难以达成一致。“钚是元素周期表上迄今为止最复杂的元素，”赫克尔说。

没人知道钚老化后会发生什么，这意味着没人知道我们的核武器能工作多久。这也不仅仅是更换的问题，因为美国唯一的钚工厂在1989年因有毒废物泄漏而停产。而且钚并不是唯一老化的东西。弹头包含各种复杂的金属和电子部件，任何一个都可能随着年龄增长而出现问题。负责确保旧炸弹仍然有效​​的武器科学家们将他们的情况比作将一辆老爷车存放40年从未启动，但仍要确保它第一次转动钥匙就能工作。

在20世纪90年代，研究人员意识到，要回答所有问题，需要在基础材料科学和物理学方面取得重大进展。为此，他们需要更好的计算机来测试这些老化的部件如何改变核爆炸——而且它们必须足够快，才能在有效的时间范围内给出答案。

与现有技术相比，这些机器将必须具备惊人的强大功能。摩尔定律在1965年著名地指出，计算机的速度应该每18个月翻一番。研究人员估计他们需要将这个速度再翻一番。

技术需要一个新的方向。幸运的是，研究人员已经有了一个可行的替代方案。

加速

几十年来，超级计算机一次只解决一个问题。“我们喜欢把它想象成一条流水线，”田纳西大学诺克斯维尔分校的超级计算机先驱杰克·唐加拉解释说，“你从一端开始，沿着一条线走，直到完成它。”

当赖斯领导DARPA时，该机构正在向一种名为大规模并行计算的革命性架构投入资金。与单一流水线不同，并行处理同时处理多个任务。每个任务都被分配给一个独立的处理器，该处理器解决整体问题中指定的块。（参见“并行能力”）

“一直以来都有这样一种感觉，人们可以同时做多件事情，这将让你做事更快，”唐加拉说，他也是“Top500”榜单的共同创始人，该榜单是世界上最快计算机的半官方排名。但随着冷战结束，大规模并行计算机主要局限于大学和工业研究实验室，规模小于政府所需。

“没有出现过这样的问题：‘我必须在X年内拥有一台大规模并行计算机，’”赖斯说。面对老化的核武库带来的问题，他亲自动手，于1995年启动了加速战略计算计划（ASCI）。

以前的超级计算机是用定制部件制造的，但ASCI将完全由现成的普通计算机芯片和组件构建机器。关键在于让它们协同工作以同时解决问题。劳伦斯伯克利国家实验室副主任霍斯特·西蒙表示，使用现成部件的决定被证明是革命性的。它允许IBM和英特尔等科技公司将政府资助的进展出售给公众。“最终，[民用计算机]的技术转型会发生，”他说，“但如果没有ASCI的投资，它不会发生得如此迅速。”

到1996年，英特尔完成了该项目的首台超级计算机，名为ASCI Red。它是第一台突破万亿次浮点运算障碍的计算机，每秒可进行1万亿次计算。凭借它，桑迪亚轻松拥有了世界上最快的计算机。

四年后，IBM在劳伦斯利弗莫尔的ASCI White超越了ASCI Red。在接下来的十年里，情况一直如此。美国国家实验室与日本争夺世界最快计算机的荣誉，直到中国在2010年突然领先。

这是超级计算领域的“斯普特尼克时刻”。美国政府试图通过禁止向此类超级计算机项目出售美国芯片来遏制中国的主导地位，理由是它们被用于“核爆炸活动”。但中国投入数十亿美元部署自己的技术，直到仅仅一台中国超级计算机——“神威·太湖之光”——几乎可以超越所有美国武器实验室机器的总和。今年6月，美国终于凭借橡树岭国家实验室的新“高峰”超级计算机夺回了榜首。（参见“链锯、海狸和蚂蚁”）

尽管来回争夺，科学家们表示这并非一场竞赛。世界上的重大问题——比如，我们的核武器还能工作吗？——只是需要越来越快的超级计算机。这是一个自然而然的进展，而不是竞争。然而，这些专家也会指出争先的重要性。而其可能性超越了改进核模拟。

“这些电脑有助于建造事物，有助于回答问题，有助于展望未来，”董加拉说。“如果你拥有最快的电脑，你就能以更快的周转时间完成这些事情。”

链锯、海狸和蚂蚁

劳伦斯伯克利国家实验室副主任霍斯特·西蒙说，超级计算机的历史可以分为三个时代。“如果你想砍伐亚马逊雨林，你可以用一把链锯，100只海狸，或者100万只蚂蚁，”他说。

链锯代表早期的超级计算机——昂贵且功能强大，但一次只能砍倒一棵树。海狸砍树时间较长，但同时啃咬100棵，因此最终效率更高。这就是大规模并行超级计算机，它们直到最近才占据主导地位。

现在，业界正朝着蚂蚁的方向发展——百亿亿次级计算机的微小组件。它们数量众多，能耗低，可以更快地完成任务。

万亿万亿

这就是为什么两个超级大国正在竞相开发超级计算机的下一步——百亿亿次级计算机。这些计算机每秒将进行1万亿亿次计算——1,000,000,000,000,000,000次。美国首台百亿亿次级计算机将于2021年在芝加哥附近的阿贡国家实验室上线，中国可能也会在同期拥有一台。两国中任何一个都可能率先完成。

但在过去的五年里，Top500榜单揭示了一个令人不安的趋势：超级计算机的改进速度不再像以前那样快。五十年来，芯片尺寸每18到24个月缩小一半。现在，摩尔定律可能终于要走到尽头了。随着芯片越来越小，运行它们的成本也越来越高。研究人员表示，我们已经达到了一个技术转折点，就像二十年前将流水线处理器转变为大规模并行机器的那次一样。

对于核武器科学家和研究人员来说，它来得还不够快。约翰·萨劳（John Sarrao）作为洛斯阿拉莫斯理论、模拟和计算的副主任，负责管理大约700名核武器研究人员。他说，科学家们已经面临只有百亿亿次级计算机才能解决的问题。

对萨劳来说，了解钚的老化问题是重中之重。2007年，一份重要报告指出，弹头中的钚应该会“优雅地”老化，可维持85到100年。但并非所有科学家都同意。赫克尔，现在是斯坦福大学教授，在那份报告发表前后领导了一些关于钚老化的重要研究。他不同意报告的结论，现在这位前实验室主任正在洛斯阿拉莫斯做志愿者，再次研究钚老化问题。

萨劳希望百亿亿次级计算机能有所帮助。目前的计算机仍然无法运行高度精细的钚模型，以捕捉该元素的微观结构。

百亿亿次级机器也不仅仅能制造更好的炸弹。它们将模拟极其精细的现象，如洋流的复杂性或血液在体内的流动。超级计算机甚至支撑着天气模型，所以更好的技术意味着更好的预报。这些进步最终会惠及公众。二十年前，英特尔的ASCI Red以每秒万亿次计算的性能，称霸世界最快计算机。去年，英特尔推出了一款具有同等性能的桌面电脑芯片。如果历史重演，未来几十年内，百亿亿次级计算机将无处不在。

“百亿亿次级并不是竞赛的终点，”董加拉说。只要内华达试验场保持安静，并且模拟炸弹优于真实炸弹，科学家和政府就会确保计算能力持续提升。“谁拥有最快的计算机就像壁炉架上的一个奖杯，”他说，“真正的问题是我们正在用这些东西做什么样的科学。”