超算“中國芯”

從速度的追趕到性能的改善，從集成創(chuàng)新到完全自主創(chuàng)新，超算領(lǐng)域的發(fā)展路徑是中國的創(chuàng)新模式的縮影。

美國暫時緩了一口氣，經(jīng)過兩年的努力，超級計(jì)算機(jī)的世界第一又回來了。根據(jù)國際超級電腦組織6月18日公布最新的全球超級電腦500強(qiáng)名單，美國超級計(jì)算機(jī)重奪世界第一寶座。

據(jù)悉，由美國國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)最新研制的超級計(jì)算機(jī)“紅杉”(Sequoia)，為美國奪得全球最快超級計(jì)算機(jī)寶座。這是繼2009年后美國再次奪回“世界第一電腦”的頭銜。根據(jù)18日公布的數(shù)據(jù)，“紅杉”的持續(xù)運(yùn)算測試達(dá)每秒16324萬億次，其峰值運(yùn)算速度高達(dá)每秒20132萬億次，令其他計(jì)算機(jī)望塵莫及。

寶座兩易主

日本理化學(xué)研究所與富士通(Fujitsu)共同研發(fā)和組裝中的超級計(jì)算機(jī)“京”在名單中位居亞軍，其測試速度上升到每秒運(yùn)算速度10510萬億次。

中國進(jìn)入前十的有兩臺，國家超級計(jì)算天津中心的“天河一號”則以每秒2570萬億次的運(yùn)算速度位列第五;另外，超級計(jì)算深圳中心的“星云”超級計(jì)算機(jī)排名第十，標(biāo)志著中國在超級計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。

1999年，日本投入400億日元(約合人民幣25億元)，開始了名為“地球模擬器”的超級計(jì)算機(jī)的開發(fā)計(jì)劃。2002年，日本“地球模擬器”超級計(jì)算機(jī)成功推出，并將長年來一直獨(dú)占鰲頭的美國擠下了“頭把交椅”。但美國政府隨后開始加大了在超級計(jì)算機(jī)研發(fā)方面的投入，并在2004年重新占據(jù)“第一”。

美國又一坐6年，直到2010年中國“天河一號”的問世。2010年11月超級計(jì)算機(jī)排名機(jī)構(gòu)運(yùn)用Linpack基準(zhǔn)測試來衡量超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。在測試中，中國“天河一號”超級計(jì)算機(jī)在峰值運(yùn)算時運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒2570萬億次，超過了當(dāng)時美國和日本超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

“當(dāng)年日本不知道從哪里冒出來，但確實(shí)讓人措手不及。而看看中國，你會看到讓世界吃驚的事情又來了。”的確，中國這一次又讓美國吃驚了。

速度讓位

Linpack基準(zhǔn)測試是通過測量短時間內(nèi)進(jìn)行真實(shí)科學(xué)計(jì)算的能力，來衡量世界最快超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，但通常最重要的指標(biāo)是維持這種計(jì)算性能的能力。

《MIT技術(shù)評論》指出，將“天河一號”認(rèn)定為世界最快的Linpack基準(zhǔn)測試還是無法準(zhǔn)確表明它的實(shí)際應(yīng)用性能。

天河一號采用的是異構(gòu)，即共同使用CPU和GPU，世界上的超級計(jì)算機(jī)還很少使用CPU加GPU的體系結(jié)構(gòu)。美國國家超級計(jì)算應(yīng)用中心主任托姆?鄧寧表示，GPU速度和顯存速度之間存在明顯的不匹配情況，在GPU上達(dá)到峰值速度十分困難。

盡管排名前十的計(jì)算機(jī)中法德日各自都占有一席之地，但大部分國家超級計(jì)算機(jī)都在用美國芯片。中國的專家表示，天河系統(tǒng)的很多核心部件也不例外，包括7168個由美國英偉達(dá)公司生產(chǎn)的圖像處理器GPU。

評論認(rèn)為，這次中國“天河一號”的登頂并沒有改變超級計(jì)算機(jī)研發(fā)基本上為美國所控制的整體局面。

不過，一年之后，讓計(jì)算機(jī)行業(yè)驚訝的事情再次發(fā)生。2011年，中國首次推出了一臺使用國產(chǎn)微處理器芯片的超級計(jì)算機(jī)。

一臺名為“神威藍(lán)光”的超級計(jì)算機(jī)于2011年9月安裝在山東省的國家超級計(jì)算濟(jì)南中心。神威系統(tǒng)每秒能進(jìn)行約1千萬億次運(yùn)算，更為重要的是，該系統(tǒng)采用的8700片申威1600微處理器由中國自主研制。這標(biāo)志著中國成為繼美國與日本之后第三個能夠采用自主CPU構(gòu)建千萬億次計(jì)算機(jī)的國家。

國家超級計(jì)算濟(jì)南中心主任顧衛(wèi)東介紹，“神威藍(lán)光千萬億次高效能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”共8704個CPU，全部采用自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的申威1600處理器，整個系統(tǒng)的峰值運(yùn)算速度為1.07千萬億次，比20萬臺普通筆記本同時運(yùn)算還要快;其存儲容量為2000萬億字節(jié)，相當(dāng)于6個國家圖書館藏書量。

據(jù)稱，“神威藍(lán)光”采用全系統(tǒng)水冷技術(shù)，相比風(fēng)冷能耗降低40%?！吧裢{(lán)光”超級計(jì)算機(jī)，能耗僅1.074兆瓦。2007年世界第一位的“藍(lán)色基因”速度僅有其一半，但耗電量高達(dá)6兆瓦。

從速度的追趕到性能的改善，從集成創(chuàng)新到完全自主創(chuàng)新，中國的創(chuàng)新模式在超級計(jì)算領(lǐng)域表現(xiàn)得淋漓盡致。

超級神算

美國國防部高級研究計(jì)劃局也在緊鑼密鼓地研制億億級超級計(jì)算機(jī)，計(jì)劃將于2018年研制成功。

超級計(jì)算機(jī)的大規(guī)模投入旨在滿足各領(lǐng)域的超算需求。2010年11月曾奪得世界第一的天河一號已經(jīng)投入應(yīng)用領(lǐng)域。在早前舉行的新聞發(fā)布會上，國家超級計(jì)算天津中心主任劉光明用了“天、地、人”三個字對超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用做了形象比喻。算天，就是算天上的天氣預(yù)報(bào)，如遙感衛(wèi)星等。地上算什么，主要是石油和天然氣的儲藏情況。我們中國的地下的有的儲藏資源量大，但是它是比較分散，所以必須用超級計(jì)算機(jī)確定地下的油藏。算人，是幫助各種疑難雜癥的新藥的研制?！疤旌右惶枴钡姆?wù)用戶已經(jīng)超過300家。

2011年初，中石油東方物探公司首次將面積達(dá)1060平方公里的石油勘探地震數(shù)據(jù)放在天河一號上進(jìn)行計(jì)算，僅用16個小時就完成了計(jì)算處理任務(wù)，運(yùn)算效率比過去提高了30多倍。

中科院上海藥物研究所研究員歐陽懷宇說:上海藥物所通過天河一號超級計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)緊密配合，在鉀離子通道激動劑研發(fā)中取得了很大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了治療癲癇疾病的新分子，相關(guān)研究是目前世界上唯一成功的離子通道激動劑藥物設(shè)計(jì)?！?/p>

超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高在國防上還可以使更為精密的作戰(zhàn)模擬成為現(xiàn)實(shí)，比如根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況預(yù)設(shè)成千上萬種作戰(zhàn)方案，然后通過計(jì)算和分析得出最優(yōu)化的方案。運(yùn)算能力越強(qiáng)，可以預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)方案也就越多，分析出來的結(jié)果也就越接近于實(shí)戰(zhàn)的參數(shù)。

按運(yùn)行時間看，國內(nèi)超算中心的資源利用率普遍都在70%以上，有的甚至超過80%。而國外超算中心的利用率普遍在60%左右。

“十一五”期間，國家在超級計(jì)算機(jī)項(xiàng)目發(fā)展上投入9.4億元，在天津、深圳、濟(jì)南、長沙、成都、廣州等地建立了國家超級計(jì)算中心。

創(chuàng)新保障

從21世紀(jì)初的技術(shù)水平落后整整三代，到“十一五”末進(jìn)入世界第一與自主知識產(chǎn)權(quán)的隊(duì)列。中國的超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域用十年的時間，完成了跨越式發(fā)展，這是中國科技發(fā)展的一個縮影。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，國民經(jīng)濟(jì)保持高速增長的同時，也暴露出隱憂，依靠廉價勞動力的“比較優(yōu)勢”，使我國在全球化的產(chǎn)業(yè)價值鏈上處于低端，“八億件襯衫才能換一架波音飛機(jī)”。在復(fù)雜的時代背景和激烈的科技競爭下，黨的十六大提出，要制定國家科學(xué)和技術(shù)長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。2003年6月，國務(wù)院專門成立了以溫家寶總理為組長，23個部門主要領(lǐng)導(dǎo)參加的規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組。

2006年1月9日，全國科學(xué)技術(shù)大會開幕。總書記胡錦濤在會上提出了提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。1月26日，中共中央、國務(wù)院作出《關(guān)于實(shí)施科技規(guī)劃綱要增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力的決定》。國家確定了節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車7個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并加大投入，系統(tǒng)部署，組織聯(lián)合攻關(guān)，應(yīng)用示范。

戰(zhàn)略部署、舉國體制與中國特色的創(chuàng)新模式，是以超級計(jì)算為代表的新興產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的原因，也成為未來取得更高成就的保障。