軟弱的超級(jí)計(jì)算機(jī)

現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)通常都有幾千顆CPU，速度已經(jīng)超過(guò)每秒千萬(wàn)億次，但能支持500顆以上CPU的應(yīng)用軟件卻很少。像國(guó)家天文臺(tái)需要上千個(gè)CPU的運(yùn)算卻缺少軟件可用。

上海超級(jí)計(jì)算中心總共有300多個(gè)用戶，醫(yī)生丁海是其中一個(gè)。他獨(dú)立研究的課題涉及較復(fù)雜的模擬計(jì)算，用普通的電腦根本跑不起來(lái)，于是他到超算中心，申請(qǐng)使用一部分計(jì)算資源。

128顆CPU的極限

到超算中心排隊(duì)的單位一直很多。截至2008年，中心裝備的曙光4000A型超級(jí)計(jì)算機(jī)CPU使用率已達(dá)到88.5%。這臺(tái)擁有2048顆CPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)接近“滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)”。2009年6月，“魔方”的加盟將中心可提供的計(jì)算能力一下字提升了20倍。它是曾在2008年底排名世界前十的計(jì)算機(jī)，峰值運(yùn)算速度達(dá)到每秒230萬(wàn)億次。然而沒(méi)能進(jìn)入隊(duì)列的任務(wù)還是很多。

丁海只需要用幾十顆CPU，但在300多個(gè)用戶中已經(jīng)略高于平均數(shù)——雖然中心的客戶中不乏蛋白質(zhì)折疊這樣的大型科學(xué)計(jì)算和國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)設(shè)計(jì)這樣的大型工程項(xiàng)目，但大型用戶并不占大多數(shù)。據(jù)上海超算中心2008年12月的簡(jiǎn)報(bào)統(tǒng)計(jì)，在當(dāng)月新增的10個(gè)用戶里，只有清華大學(xué)航空航天學(xué)院、南京大學(xué)物理系和上海天文臺(tái)三家占用的CPU資源在128顆以上。

“不可能給得太多”，中心副主任袁俊說(shuō)。中心為了照顧到300多個(gè)用戶的需要，必須進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，才能最大發(fā)揮其整體效能。成立于2000年的上海超算中心不僅承擔(dān)著“國(guó)家網(wǎng)格”計(jì)劃的南方主節(jié)點(diǎn)任務(wù)，還為華東地區(qū)乃至全國(guó)的科研單位和工程用戶提供開(kāi)放的計(jì)算服務(wù)。袁俊告訴記者，128顆，往往是上海超算中心為單個(gè)任務(wù)所能提供CPU數(shù)的最大值。

事實(shí)上，即使資源方面沒(méi)有限制，很多大型項(xiàng)目也因?yàn)榧夹g(shù)上的原因用不上那么多運(yùn)算資源。

規(guī)模再大軟件控制不了

南京航空航天大學(xué)的飛行器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)從浪潮公司購(gòu)置過(guò)一套十多個(gè)節(jié)點(diǎn)的高性能計(jì)算集群，可用著用著就發(fā)現(xiàn)不夠用了。他們計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)一套更大的，升級(jí)到64個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。購(gòu)買(mǎi)，安裝，遷移任務(wù)，一切停當(dāng)，一個(gè)奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了:運(yùn)算效率不僅并沒(méi)有提升，反而下降了。研究人員只好請(qǐng)來(lái)浪潮的維護(hù)工程師，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在該應(yīng)用軟件的擴(kuò)展性上——原來(lái)的軟件根本不能支持這么多CPU。

據(jù)浪潮公司提供的一份資料顯示，雖然數(shù)百上千個(gè)CPU級(jí)別的計(jì)算機(jī)集群現(xiàn)在已經(jīng)大量出現(xiàn)，但支持500個(gè)CPU以上的應(yīng)用軟件卻很少。許多流行的高性能軟件，特別是廣泛應(yīng)用的開(kāi)源軟件，如在地震預(yù)報(bào)、蛋白質(zhì)計(jì)算中運(yùn)用的軟件，并行度并不高，有的甚至還是串行程序。這就好比是好不容易修好了一條高速公路，回頭一看，卻缺乏好車。

“現(xiàn)在的關(guān)鍵是軟件跟不上硬件的發(fā)展速度，導(dǎo)致超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力發(fā)揮不出來(lái)。”浪潮公司服務(wù)器部門(mén)的經(jīng)理包艷婷說(shuō)。對(duì)此中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算中心主任遲學(xué)斌認(rèn)為，在研發(fā)的歷史上，我們一直重視有形的東西，忽視無(wú)形的東西。計(jì)算機(jī)固然很重要，但是如果在這個(gè)平臺(tái)上沒(méi)有要做的事，那也等于是浪費(fèi)。

對(duì)上海超算中心來(lái)說(shuō)，困難主要是價(jià)格問(wèn)題。盡管上海市政府給了他們令同行羨慕的的持續(xù)經(jīng)費(fèi)支持，使他們可以采購(gòu)中國(guó)最好的計(jì)算機(jī)硬件，卻無(wú)法將最好的軟件也統(tǒng)統(tǒng)搬來(lái)。國(guó)家天文臺(tái)可能是中心的用戶里對(duì)CPU要求最高的之一，他們需要上千個(gè)CPU同時(shí)工作，以計(jì)算海量的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)。但能支持的軟件在國(guó)際上也很少，即使有也買(mǎi)不起，他們只好自己編寫(xiě)開(kāi)源代碼。它更自由，卻未必好用。

再者，能夠?qū)懘祟愜浖娜瞬盘^(guò)稀少。國(guó)內(nèi)高等教育研究生以上學(xué)歷的教育中，完備、深度的“計(jì)算科學(xué)”教育既不系統(tǒng)，也不完整，更沒(méi)有基于并行計(jì)算方面的計(jì)算科學(xué)教育和訓(xùn)練。同時(shí)，計(jì)算科學(xué)和各應(yīng)用科學(xué)的團(tuán)隊(duì)在互相協(xié)作方面也缺乏機(jī)制。美國(guó)一個(gè)成熟的計(jì)算應(yīng)用軟件通常都經(jīng)歷了至少20年以上的持續(xù)開(kāi)發(fā)，如計(jì)算化學(xué)軟件NWCHEM，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)里化學(xué)家、計(jì)算數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家保持了合適的比例，政府也給予了資金支持。

跨越“軟”“硬”鴻溝

“魔方”的誕生將中國(guó)的超級(jí)計(jì)算一下子帶入了百萬(wàn)億次計(jì)算時(shí)代，但是應(yīng)用卻仍停留在幾萬(wàn)億次到幾十萬(wàn)億次的水平，中間至少相差了一代。

曙光公司總裁歷軍認(rèn)為，“機(jī)器和應(yīng)用之間有一代的差距是可以理解的。上一代的曙光4000A剛出來(lái)時(shí)也面臨有沒(méi)有人用的問(wèn)題，但到今天我們國(guó)家的大飛機(jī)設(shè)計(jì)、神舟飛船、基因研究、石油勘探上面都用上了，可見(jiàn)機(jī)器帶動(dòng)應(yīng)用是現(xiàn)階段的必經(jīng)之路。”看來(lái)，超級(jí)計(jì)算機(jī)超前于應(yīng)用的發(fā)展似乎不完全是壞事，只有有了更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，應(yīng)用軟件和算法研究人員也才可能發(fā)現(xiàn)原有軟件和算法的問(wèn)題。

大規(guī)模并行軟件的開(kāi)發(fā)是個(gè)累活，周期很長(zhǎng)，不像硬件升級(jí)那樣見(jiàn)效快。在過(guò)去，軟件都是串行編寫(xiě)，假定在一個(gè)CPU上面執(zhí)行任務(wù)。超級(jí)計(jì)算機(jī)把這種情況徹底打破了，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)“并行計(jì)算”。高性能計(jì)算的原理其實(shí)并不復(fù)雜，就是將一個(gè)任務(wù)分成幾份，每個(gè)服務(wù)器完成一份，但并行化的基礎(chǔ)是對(duì)此代碼涉及的應(yīng)用科學(xué)有透徹的了解，在理解的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行合理的任務(wù)切分，精細(xì)地處理負(fù)載平衡、通信等問(wèn)題。因此才出現(xiàn)了能夠?qū)懖⑿熊浖母呒?jí)人才少之又少的局面。

事實(shí)上，為超級(jí)計(jì)算機(jī)編程更是數(shù)學(xué)家的工作。他們不僅要有精湛的數(shù)學(xué)頭腦，懂得各種編程語(yǔ)言，還要熟悉計(jì)算機(jī)硬件。更重要的是，他們必須愿意投入時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)各種算法和進(jìn)行軟件編程，最后，還要確保軟件經(jīng)過(guò)調(diào)試能夠在超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用。名噪一時(shí)的“深藍(lán)之父”許峰雄就是這樣一個(gè)人。這個(gè)對(duì)于人機(jī)對(duì)弈有著狂熱興趣的天才，更像是一名有著發(fā) 達(dá)數(shù)學(xué)頭腦的軟件程序員。還在念大學(xué)時(shí)，他幾乎每天吃飯路上腦子里都在琢磨如何在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)更快的出棋步數(shù)。為了戰(zhàn)勝卡斯帕羅夫，許峰雄和他的同事前后用了十多年。

2009年6月，國(guó)內(nèi)服務(wù)器行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)浪潮集團(tuán)和中國(guó)超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域的“專家團(tuán)”——中科院超算中心簽署了一項(xiàng)戰(zhàn)略合作協(xié)議，試圖聯(lián)手攻克“軟硬失衡”這一困擾超級(jí)計(jì)算機(jī)多年的難題。浪潮有豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，能準(zhǔn)確把握用戶的需求，可以安排大量的經(jīng)驗(yàn)豐富的一線軟件工程師和系統(tǒng)維護(hù)人員，而中科院超算中心則在體系架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)上提供理論上的支持。這是一項(xiàng)艱巨的系統(tǒng)工程，其成效果尚需時(shí)日。

下一代千萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)已經(jīng)在研制了。這臺(tái)名為曙光6000A的超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)被深圳市預(yù)訂，但如果軟件水平不能迅速跟上，“軟硬失衡”的“魔咒”將給它帶來(lái)更大的麻煩——那可是千萬(wàn)億次。