“超算”離企業(yè)有多遠(yuǎn)

趙艷秋

牙膏、香皂、洗發(fā)水和紙尿褲與那些高速運(yùn)轉(zhuǎn)、需要大量空調(diào)降溫的超級(jí)計(jì)算機(jī)有關(guān)系嗎？Tom Lange是寶潔公司模擬與仿真研發(fā)部經(jīng)理，34年間一直穿梭在二者之間?！跋M(fèi)者會(huì)發(fā)現(xiàn)，寶潔的產(chǎn)品相對來說都比較便宜，但是他們很難了解到，為了使這些產(chǎn)品保持較低價(jià)格，寶潔要采用很復(fù)雜的技術(shù)來進(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn)。如果你看到這些復(fù)雜的機(jī)器和每臺(tái)機(jī)器上正在跳動(dòng)的代碼行數(shù)，你還以為我們在做飛機(jī)制造?！盩om Lange說。

洗發(fā)水和汽車模具

消費(fèi)者在貨架前徘徊，決定購買哪種洗發(fā)水時(shí)，價(jià)格往往起到很重要的作用。如果產(chǎn)品定價(jià)不當(dāng)，或者不能給消費(fèi)者帶來預(yù)期的價(jià)值，他們通常都不會(huì)動(dòng)心。所以，Tom Lange領(lǐng)導(dǎo)的模擬與仿真團(tuán)隊(duì)要做的第一個(gè)關(guān)鍵工作，就是挑選產(chǎn)品原材料并設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝。“最終敲定的原材料和制造工藝要使公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，消費(fèi)者能夠承擔(dān)得起?！彼f。

選定原材料或者制造工藝，是一件極為復(fù)雜的事。一種洗發(fā)水，Tom Lange要從上百種材料中挑選七八種來搭配，用計(jì)算機(jī)模擬搭配后的產(chǎn)品長得什么樣，在遇冷或遇熱后是否還能從瓶中很容易地倒出來……這些計(jì)算已經(jīng)超出了普通計(jì)算機(jī)的處理能力，通常需要128個(gè)甚至更多的CPU協(xié)同完成，被稱為“超級(jí)計(jì)算”，簡稱“超算”。

十多年間，超級(jí)計(jì)算在美國企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中已成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。福特汽車?yán)盟鼇砟M汽車碰撞試驗(yàn)，摩托羅拉用它來設(shè)計(jì)不同形狀的手機(jī)，這些手機(jī)掉到地上不易損壞。

如今，中國企業(yè)也開始將超算用到實(shí)際生產(chǎn)中，汽車行業(yè)的相關(guān)企業(yè)是其中最早的應(yīng)用者之一。

陳惠濱，國內(nèi)最大的汽車模具企業(yè)——天津汽車模具股份有限公司CAE部長，是這家企業(yè)的核心技術(shù)骨干，他的工作是利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)仿真汽車模具?，F(xiàn)在，汽車需要越來越精細(xì)的模具，一個(gè)兩三米長的車身模具，每個(gè)關(guān)鍵面的公差都要控制在0.5毫米以下，這相當(dāng)于幾根頭發(fā)絲的直徑。這給模具設(shè)計(jì)制造帶來相當(dāng)?shù)碾y度，沖壓零件的精度合格率要求每提高幾個(gè)百分點(diǎn)，設(shè)計(jì)的計(jì)算量就會(huì)成倍增長。陳惠濱10年前進(jìn)入這個(gè)行業(yè)以來，汽車模具設(shè)計(jì)中的CAE模擬工作量已經(jīng)至少增長了幾十倍。

計(jì)算量的井噴，讓陳惠濱順理成章地成為國家超級(jí)計(jì)算天津中心的首批客戶。利用超算中心為廠子分配了256個(gè)CPU，原來在廠內(nèi)計(jì)算機(jī)上要計(jì)算一兩天的模具模型，現(xiàn)在幾小時(shí)就完成了；原來一次只能設(shè)計(jì)一種方案，現(xiàn)在可以同時(shí)設(shè)計(jì)多種方案，然后挑出最優(yōu)化的結(jié)果。

除了效率提升，超算對于廠里的成本優(yōu)化相當(dāng)明顯。不同汽車制造廠對模具的合格率要求從90%到100%不等。在沒用超算之前，利用普通CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）設(shè)計(jì)結(jié)果做出的模具，合格率一般在60%~70%之間，這些模具要經(jīng)過反復(fù)修改、再加工，才能達(dá)到客戶要求。使用超算后，模具設(shè)計(jì)可以模擬得特別精細(xì)，合格率都在90%左右，修改、重復(fù)加工和調(diào)試工作大幅降低，成本也隨之降低一半以上。

當(dāng)然，讓陳惠濱感到超算便利性的地方還有資料存儲(chǔ)問題。因?yàn)榇笮椭萍缯w側(cè)圍每次精確CAE成型模擬的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量都在10GB以上，以前公司內(nèi)部沒有足夠大的存儲(chǔ)空間，設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)基本兩三天就要清除一次。現(xiàn)在，公司內(nèi)大量的模擬文件都可以保存在超算中心的存儲(chǔ)平臺(tái)上，要做進(jìn)一步研發(fā)時(shí)就很方便。

使用者的“資格”

國內(nèi)外企業(yè)都用超算，但國內(nèi)找不到消費(fèi)品企業(yè)的超算案例。在國外，生產(chǎn)紙尿褲的企業(yè)會(huì)利用超算計(jì)算液體如何流動(dòng)，產(chǎn)品怎樣設(shè)計(jì)才不淹孩子的屁股；生產(chǎn)薯片的企業(yè)會(huì)計(jì)算薯片從什么方向切，在運(yùn)輸中更不容易碎……但在國內(nèi)，超算項(xiàng)目更多的是氣象、石油、航天等這類大型工程。

國內(nèi)企業(yè)很多時(shí)候發(fā)現(xiàn)國外同行的產(chǎn)品突然有了一個(gè)小拐角，但不知道為什么——是為了更結(jié)實(shí)，還是節(jié)省成本？這些細(xì)微之處的背后很可能有超算。正因?yàn)槿绱?，大多?shù)“普普通通的國內(nèi)企業(yè)”在研發(fā)和成本控制方面并沒有用超算的打算。

但在陳惠濱看來，超算并不只是大企業(yè)、大項(xiàng)目的權(quán)利。他在意大利拜訪菲亞特的一個(gè)合作伙伴，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)只有十幾個(gè)人的小公司里，每位員工都在用強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)做工程仿真。陳惠濱感到，只要有計(jì)算需求，企業(yè)就完全可以用。

不過，現(xiàn)實(shí)中，中小企業(yè)用超算需要一定的“資格”。

第一個(gè)資格是數(shù)字化制造的普及。天津汽車模具在十年間積累了兩樣?xùn)|西——如何根據(jù)不同的模具設(shè)計(jì)方案設(shè)定輸入模型的參數(shù)；如何評(píng)判仿真結(jié)果，解決問題——這兩樣?xùn)|西都是人和機(jī)器融合得到的經(jīng)驗(yàn)，不是靠搭建軟硬件平臺(tái)和招收幾個(gè)員工就能得到的。

第二是資金。從經(jīng)濟(jì)角度衡量，大多數(shù)中小企業(yè)還用不起超算。陳惠濱算了一本賬，如果企業(yè)自己投資，每隔三四年，軟硬件的升級(jí)費(fèi)用就要上百萬元，多數(shù)企業(yè)目前經(jīng)受不起這樣的頻繁升級(jí)；按照超算中心目前對外的收費(fèi)模式——每個(gè)CPU按小時(shí)計(jì)費(fèi)，超算一般要用到上百個(gè)CPU，這也是“接受不了的”。

云來統(tǒng)籌

在順利過渡到超算之后，現(xiàn)在陳惠濱會(huì)在晚上把作業(yè)和數(shù)據(jù)“丟”到超算中心，早上一上班就能看到各種設(shè)計(jì)結(jié)果。

這很像云計(jì)算，不管你在哪里，通過終端提交需求，再在終端上獲得結(jié)果。那么，超算和云計(jì)算有什么關(guān)聯(lián)？

胡松年，中科院北京基因組研究所研究員，他進(jìn)行的水稻、微生物和人類基因組等研究項(xiàng)目需要的計(jì)算量極為龐大，2008年，他就使用了10萬億次/秒的超算平臺(tái)，今年，他已開始用40萬億次/秒的超算平臺(tái)了，存儲(chǔ)容量也提升到1P以上。這樣的計(jì)算量是普通機(jī)器計(jì)算上百年可能都完不成的任務(wù)。

云雖然是一種商業(yè)概念，但支撐它的底層技術(shù)，很多來自超算。同時(shí)，超算成為云調(diào)度統(tǒng)籌的一部分，就需要摘下神秘面紗，更為親民?！凹词故乾F(xiàn)在，企業(yè)要用超算，技術(shù)人員一般要在電腦上敲一堆字符命令，遠(yuǎn)程登陸，這跟消費(fèi)者天天接觸的云很不同?！崩顺奔瘓F(tuán)高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍說，“不過，我們正讓超算的專業(yè)化軟件更易于使用，包括改變作業(yè)的提交方式、監(jiān)控方式和數(shù)據(jù)輸入輸出方式?！?/p>

脆弱的應(yīng)用軟件環(huán)節(jié)

看上去，超算和人的互動(dòng)將越來越美妙。不過，在很多時(shí)候，龐大的超算系統(tǒng)還很不給力。

電影《阿凡達(dá)2》要推遲上映了。大導(dǎo)演詹姆斯.卡梅隆承認(rèn)，這個(gè)本來計(jì)劃2014年底上映的大片，觀眾最早也要等到2016年才能看到。這是因?yàn)樵诶m(xù)集中那些我們從未見過的神奇世界——潘多拉星球海洋——將完全在超算平臺(tái)上用虛擬化的方式創(chuàng)造出來。可是相應(yīng)的電影制作軟件還在開發(fā)中，這次制作過程將是一個(gè)“非常艱苦的探索”。

即便是在超算已經(jīng)發(fā)展了30多年的美國，為了把這些計(jì)算峰值達(dá)到幾百萬億次/秒、幾千萬億次/秒的龐大機(jī)器真正調(diào)動(dòng)起來，應(yīng)用軟件的開發(fā)也不是件輕松的事。而沒有好的軟件，那些硬件設(shè)備將只是一堆既占地又耗能的“大型沉寂物”。

在中國，超算的應(yīng)用環(huán)節(jié)更為脆弱，能夠數(shù)得出的超算軟件鳳毛麟角。

賴能和，中國石油東方地球物理公司研究院處理中心的總工程師，國內(nèi)最早一批涉足石油超算應(yīng)用的行業(yè)人士。上世紀(jì)80年代，當(dāng)中石油開始競標(biāo)國際石油勘探項(xiàng)目后，全球最大的石油勘探公司——西方地球物理公司就再也不把石油勘探軟件賣給中國人了。為此，中國石油東方地球物理公司投入了巨大的人力和財(cái)力，開發(fā)出自主全國產(chǎn)的石油勘探處理解釋一體化軟件GeoEast。

不過，業(yè)內(nèi)有個(gè)有意思的現(xiàn)象，僅僅是行業(yè)人士開發(fā)的應(yīng)用軟件，通常做不大——他們雖然了解自身需求，但對性能擴(kuò)展優(yōu)化并不在行。2011年，中石油東方地球物理公司和浪潮在委內(nèi)瑞拉的合作顯示出聯(lián)手的力量。當(dāng)時(shí)，中石油在號(hào)稱“石油天堂”的委內(nèi)瑞拉勘探石油，不過，他們只能在租用的幾個(gè)賓館房間內(nèi)搭建一套原本龐大的超算系統(tǒng)。受限于環(huán)境，中石油只能在提高平臺(tái)效率上打主意，把原先的“大超算”變成“小超算”。

中石油東方地球物理公司提供軟件算法，浪潮將GPU加速技術(shù)引入，完成算法移植和優(yōu)化。最終，機(jī)器規(guī)?？s減到原來的1/5，而中石油也在委內(nèi)瑞拉規(guī)定的20天內(nèi)完成了2000平方公里的全部石油勘探工作。

這個(gè)項(xiàng)目也給劉軍很深的感觸。在超算行業(yè)打拼15年來，劉軍一直把美國ANSYS公司作為超算應(yīng)用軟件發(fā)展的目標(biāo)和夢想。在過去42年間，這家位于賓夕法尼亞的企業(yè)一直沒有停止積累的腳步，自主開發(fā)也好，兼并也罷，目前它在全球工程設(shè)計(jì)模擬仿真軟件領(lǐng)域獨(dú)霸一方?！爸袊霈F(xiàn)ANSYS，也要把時(shí)間尺度放長到二三十年。這不是大躍進(jìn)方式做的事，需要我們沉下心在算法研究、并行優(yōu)化、人才培育上做功課。”

目前浪潮有個(gè)幾十個(gè)人的團(tuán)隊(duì)與行業(yè)人士合作開發(fā)石油勘探、數(shù)值氣象預(yù)報(bào)、基因測序、金融風(fēng)險(xiǎn)分析、工程設(shè)計(jì)等應(yīng)用軟件。最近，浪潮還主辦了中國首屆大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競賽。劉軍說，通過大賽期間的鍛煉，他希望學(xué)生們在學(xué)校期間就能建立一種思維方式——超算不能只比拼硬件，要強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，從應(yīng)用的角度來配置系統(tǒng)。這樣，當(dāng)這批年輕學(xué)生走入各個(gè)行業(yè)，那個(gè)消費(fèi)者看不見的超算，才能讓我們的日常消費(fèi)體驗(yàn)更加美好。