橡树岭国家实验室

橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，简称ORNL）是位于美国田纳西州橡树岭的联邦资助研究与开发中心，由UT-Battelle有限责任公司为美国能源部运营。它是美国能源部下属的国家实验室之一，也是美国规模最大的多学科科学技术机构之一。实验室的研究工作涵盖核科学、中子散射、材料研究、高性能计算、人工智能、清洁能源、先进制造、聚变与裂变科学、生物学、国家安全以及环境研究。 实验室起源于1943年的曼哈顿计划，当时美国政府在后来被称为克林顿工程师工厂的场址上建立了X-10石墨反应堆及相关研究设施。X-10是首座为大规模钚生产而设计的连续运行核反应堆，并成为反应堆科学、放射化学和核材料研究的重要试验平台。第二次世界大战后，该场址从战时生产转向民用研究，并更名为橡树岭国家实验室。其战后早期的活动帮助实验室确立了在核物理、反应堆技术、放射性同位素和材料科学领域的中心地位。 ORNL的特色由服务于大学、工业界、政府及国际伙伴机构研究人员的大型用户设施所塑造。高通量同位素反应堆提供世界上最高的稳态中子通量之一，用于中子散射、同位素生产、材料研究和核科学。散裂中子源产生脉冲中子束，用于研究材料的结构与行为。这些设施支持从电池化学、量子材料到生物大分子和工程合金等广泛研究。 先进计算是另一项标志性能力。ORNL先后部署了多代高性能计算机，包括Jaguar、Titan、Summit和Frontier。2018年推出的Summit是首台在TOP500基准测试中突破100千万亿次浮点运算的超级计算机。部署于橡树岭领先计算设施的Frontier于2022年成为首台获得公开认可的百亿亿次超级计算机。这些系统被用于气候建模、核模拟、材料发现、生物学、能源研究、人工智能和国家安全应用。 实验室还为联邦机构和私营部门合作伙伴开展应用研究。其项目包括电动汽车与电池技术、电网现代化、可再生能源并网、建筑能效、先进核能系统、关键材料、增材制造、网络安全和同位素生产。ORNL在医疗和工业同位素的开发与分发中发挥了作用，包括用于癌症治疗和诊断研究的同位素。其科学资产还辅以广泛的工程、计算、制造和测试能力。 ORNL并非商业消费品牌或上市公司。它是一家政府研究机构，其工作围绕国家优先事项和同行评审科学展开，而非传统意义上的产品销售。其主要产出是科学发现、软件、数据、知识产权、技术服务、国家用户设施以及受过训练的研究人员。实验室的重要性源于其长期积累的核专业能力、大规模实验基础设施、先进计算以及以使命为导向的合作关系的结合。

橡树岭国家实验室成立于1943年，是曼哈顿计划的一部分，该计划是战时美国研发核武器的项目。橡树岭厂址最初称为克林顿工程师工厂，包含多个与铀浓缩和核研究相关的重要设施。在芝加哥大学冶金实验室的指导下建造的X-10石墨反应堆于1943年11月首次实现持续运行。它是世界上第二座人工核反应堆，也是第一座为连续运行而设计的反应堆，其规模足以用于生产放射性材料和测试反应堆工艺。 在曼哈顿计划期间，X-10作为钚生产的试验工厂，并作为支持更大规模汉福德生产工作的培训和研究设施。该厂址的科学家开发了反应堆物理、放射化学、化学处理和同位素处理等技术。这个战时的机密综合体成为后来橡树岭科学界的基础之一。 战后，联邦政府将该厂址从武器生产设施转变为民用核研究中心。该实验室被称为克林顿实验室，随后更名为橡树岭国家实验室。1946年成立的原子能委员会承担了国家核研究计划的责任。橡树岭国家实验室的战后项目扩展到核医学、放射性同位素生产、反应堆开发、中子物理、生物学、化学和材料科学。该实验室为医用同位素的开发和分发做出了贡献，并支持了民用动力和研究应用核反应堆的研究。 在20世纪下半叶，橡树岭国家实验室将其使命扩展到核技术之外。研究项目在能源效率、化石和可再生能源、环境科学、计算科学、先进材料和生物系统方面得到发展。该实验室也成为中子散射的重要中心。高通量同位素反应堆于20世纪60年代开始运行，为材料研究、同位素生产和核科学提供了高强度中子源。后来，散裂中子源增加了一个脉冲加速器驱动中子设施，使研究人员能够获得在原子尺度上检查物质的互补方法。 计算在20世纪90年代和2000年代成为核心能力。橡树岭国家实验室托管了 successive 高性能系统，并成为能源部领导力计算计划的一部分。Jaguar和Titan支持了气候科学、燃烧、材料、核工程和天体物理学的大规模模拟。该实验室的研究基础设施日益将实验设施与建模、数据分析和机器学习相结合。 2000年，由田纳西大学和巴特尔纪念研究所成立的有限责任公司UT-Battelle承担了橡树岭国家实验室的管理和运营责任。能源部保留所有权和任务监督权。这种管理结构延续了国家实验室模式，即政府拥有的设施由竞争性选出的承包商运营。 2010年代带来了对中子科学、先进制造、核研究和计算的重大投资。散裂中子源通过第二靶站项目得到扩展，旨在提供额外的中子能力。橡树岭国家实验室还建立了制造示范设施，以加速与工业合作伙伴共同开发增材和先进制造技术。其计算组合最终形成了Summit，该系统于2018年投入运行，并在TOP500基准测试中达到超过100 petaflops的性能。 橡树岭国家实验室最近最突出的里程碑是Frontier，这是一台与Hewlett Packard Enterprise和AMD合作开发、安装在橡树岭领导力计算设施的百亿亿次超级计算机。Frontier在2022年TOP500榜单中排名第一，并在基准测试中展示了超过一exaflop的性能。其研究用途包括气候建模、材料发现、生物学、核模拟、人工智能和能源系统。 如今，橡树岭国家实验室仍然是一个多学科的能源部实验室。其工作将基础研究与工程和技术部署相结合，其设施供政府、学术界和工业界的研究人员使用。该实验室继续支持清洁能源、核科学、关键材料、高性能计算、人工智能、同位素生产、先进制造和科学劳动力发展方面的国家计划。

• 2022

  Frontier 实现百亿亿次性能

  [6]Frontier supercomputerornl.gov

  Frontier 被认定为首台公开基准测试达到百亿亿次级别的超级计算机。

• 2018

  Summit 投入运行

  [9]Summit becomes operationalornl.gov

  Summit 投入科学计算服务，后来成为首台在 TOP500 基准测试中突破 100 千万亿次浮点运算的超级计算机。

• 2006

  散裂中子源开始用户运行

  [4]Spallation Neutron Sourceneutrons.ornl.gov

  散裂中子源（SNS）作为重要的脉冲中子设施投入运行，服务于材料、化学、生物学和凝聚态研究。

• 2000

  UT-Battelle接管实验室管理

  [1]Oak Ridge National Laboratory official websiteornl.gov

  UT-Battelle开始在政府所有、承包商运营模式下为能源部运营橡树岭国家实验室。

• 1965

  高通量同位素反应堆开始运行

  [5]High Flux Isotope Reactorneutrons.ornl.gov

  HFIR成为重要的中子源和同位素生产设施，至今仍是橡树岭国家实验室的主要研究装置之一。

• 1946

  该厂址转向民用核研究

  [2]Oak Ridge National Laboratory historyornl.gov

  曼哈顿计划结束后，橡树岭的设施在原子能委员会下重组，用于民用核科学。

• 1943

  X-10石墨反应堆开始运行

  [3]Oak Ridge Graphite Reactorornl.gov

  X-10石墨反应堆在战时橡树岭厂址达到临界，为实验室的核研究活动奠定了基础。

以使命为导向的国家研究实验室，将基础科学、大型用户设施、先进计算、工程与技术部署相结合，服务于美国能源、科学、工业及国家安全优先事项。

• 高性能计算 · 2022

  Frontier

  Frontier是橡树岭国家实验室橡树岭领先计算设施运营的百亿亿次超级计算机。它采用慧与（Hewlett Packard Enterprise）和AMD技术构建，支持科学模拟、人工智能、数据密集型研究、气候建模、材料发现、核科学以及能源系统分析。它是首个在高性能Linpack基准测试中达到百亿亿次性能的系统，也是美国能源部先进计算计划的核心组成部分。

• 中子研究设施 · 2006

  散裂中子源

  散裂中子源是一座基于加速器的设施，可产生脉冲中子束，用于研究材料与生物系统。研究人员利用SNS探究原子结构、磁行为、化学过程、工程材料以及储能技术。该设施通过提案与评审流程向外部用户提供谱仪，并正在通过第二靶站项目进行扩建。

• 研究反应堆与同位素设施 · 1965

  高通量同位素反应堆

  HFIR是一座高通量研究反应堆，用于中子散射、同位素生产、材料研究、核科学以及生物学和化学研究。其强中子环境使研究人员能够在原子尺度上对材料进行实验，并支持生产用于研究、医学和工业应用的专用同位素。

• 科学计算服务 · 2004

  橡树岭领先计算设施

  橡树岭领先计算设施提供对世界上一些最强大科学计算系统的访问。它支持通过竞争性资源分配流程遴选的大规模计算研究，涵盖天体物理学、化学、气候、聚变、材料、生物学、工程和国家安全等领域。

• 核与医学研究服务 · 1940

  同位素生产

  橡树岭国家实验室生产和分销选定的放射性同位素与稳定同位素，用于医疗、工业、科研及国家安全领域。该项目依托实验室的反应堆、热室设施、放射化学专业能力以及材料处理能力。同位素相关工作包括研究用同位素以及用于诊断和治疗开发的材料。

• 先进制造研究 · 2012

  制造示范设施

  制造示范设施是橡树岭国家实验室开发与示范增材制造、先进材料、数字化制造及相关工业流程的平台。它将实验室研究人员与企业及政府项目连接起来，推动制造技术从实验室概念走向商业化和工业化应用。

• 2022Frontier 百亿亿次计算计划

  United States · Scientific research

  橡树岭国家实验室将 Frontier 宣传为面向国家实验室、高校及获批研究用户的新一代百亿亿次计算基础设施。该计划强调模拟、大规模数据分析与人工智能的融合。

  结果. Frontier 成为首台公开基准测试的百亿亿次超级计算机，也是美国在科学计算领域领导地位的重要象征。

  来源
• 2020COVID-19 计算研究

  United States · Global scientific collaboration

  橡树岭国家实验室利用 Summit 及相关计算资源，支持针对 SARS-CoV-2 生物学、候选药物、分子相互作用及其他疫情相关问题的研究。

  结果. 这项工作展示了领先计算与人工智能在紧急生物医学研究中的应用。

  来源
• 2018Summit 科学计算计划

  United States · Scientific research

  Summit 的启动伴随着一项广泛的研究计划，涵盖能源、材料、生物学、气候、天体物理学和人工智能。

  结果. Summit 扩大了橡树岭国家实验室在领先计算领域的作用，后来在 TOP500 排名中位居第一。

  来源

• 2022

  Frontier的部署新品

  背景

  美国能源部的百亿亿次计算项目寻求开发至少达到一exaflop性能的系统，同时保持科学应用的实用性能。

  采取的行动

  橡树岭国家实验室采用慧与公司和AMD的技术安装并启用了Frontier。

  后续影响

  Frontier成为首台公开基准测试的百亿亿次超级计算机，并加强了橡树岭国家实验室在先进科学计算中的作用。

  来源

• 2022

  任命Stephen Streiffer为主任其他

  背景

  在Thomas Zacharia任期结束后，美国能源部为橡树岭国家实验室寻求新的领导层。

  采取的行动

  Stephen Streiffer被任命为橡树岭国家实验室主任。

  后续影响

  Streiffer负责实验室的多学科研究组合、用户设施、员工队伍以及与能源部的战略关系。

  来源

• 2018

  Summit的部署换代

  背景

  橡树岭国家实验室需要一个新的领导级系统来取代Titan，并支持日益苛刻的模拟、数据分析和人工智能工作负载。

  采取的行动

  实验室在橡树岭领导计算设施部署了Summit。

  后续影响

  Summit一度成为全球排名第一的超级计算机，并为后来的百亿亿次计算发展提供了技术基础。

  来源

• 2000

  采用新的承包商运营管理模式战略

  背景

  美国能源部选择UT-Battelle管理和运营橡树岭国家实验室，延续了联邦实验室模式，即政府拥有设施，而由承包商提供管理与运营。

  采取的行动

  UT-Battelle承担了实验室及其科学基础设施的管理责任。

  后续影响

  这一安排确立了美国能源部、UT-Battelle、田纳西大学和巴特尔纪念研究所之间当前的运营关系。

  来源

1. 1Oak Ridge National Laboratory official websiteornl.gov
2. 2Oak Ridge National Laboratory historyornl.gov
3. 3Oak Ridge Graphite Reactorornl.gov
4. 4Spallation Neutron Sourceneutrons.ornl.gov
5. 5High Flux Isotope Reactorneutrons.ornl.gov
6. 6Frontier supercomputerornl.gov
7. 7Oak Ridge Leadership Computing Facilityornl.gov
8. 8United States Department of Energy national laboratoriesenergy.gov
9. 9Summit becomes operationalornl.gov
10. 10Appointment of Stephen Streiffer as directorornl.gov