超算卷土重來(lái)

姜紅德

2013年6月17日下午，由中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號(hào)”以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次，持續(xù)計(jì)算速度每秒33.86千萬(wàn)億次的優(yōu)異性能位居國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜首。這是繼2010年我國(guó)“天河一號(hào)”首次奪冠之后，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度重返世界之巔。

美國(guó)田納西大學(xué)教授杰克.唐加拉曾于今年5月對(duì)“天河二號(hào)”進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察。他在研究報(bào)告中指出，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試顯示，“天河二號(hào)”運(yùn)算速度比排行榜上的亞軍——美國(guó)的“泰坦”快了74%。唐加拉表示：“‘天河二號(hào)頗富中國(guó)特色，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、前端處理器、軟件等都主要由中國(guó)技術(shù)人員發(fā)明創(chuàng)造?！?/p>

據(jù)了解，“天河二號(hào)”采用了4000個(gè)中國(guó)制造的FT-1500處理器，但只占全部處理器的1/ 8，CPU為什么不能全部國(guó)產(chǎn)化？中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)何時(shí)才能完全走向自主創(chuàng)造？這也是關(guān)注我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)和信息化事業(yè)發(fā)展的人們都關(guān)心的話(huà)題。

“天河二號(hào)”打造超算新格局

據(jù)了解，由280人歷時(shí)兩年，耗資約1億美元研制的“天河二號(hào)”即將于2013年下半年落戶(hù)廣州超算中心，其先導(dǎo)系統(tǒng)已開(kāi)始為生物醫(yī)藥、新材料等領(lǐng)域用戶(hù)提供服務(wù)。

和“天河一號(hào)”相比，“天河二號(hào)”在核心指標(biāo)方面有了大幅提升，它的峰值速度和持續(xù)速度都比“天河一號(hào)”提高了10倍以上，而兩者的占地面積相當(dāng)。另外，對(duì)于執(zhí)行相同的計(jì)算任務(wù)，“天河二號(hào)”的耗電量只有“天河一號(hào)”的1/3。這意味著“天河二號(hào)”有能力去解決一些過(guò)去“天河一號(hào)”所不能解決的問(wèn)題。比如回溯地球上的氣候變遷歷史，“天河一號(hào)”可以模擬2000年前的變化，“天河二號(hào)”則可以模擬到5000年前甚至更遠(yuǎn)；采用傳統(tǒng)手段研發(fā)新車(chē)，一般要經(jīng)過(guò)上百次碰撞實(shí)驗(yàn)、歷時(shí)兩年多才能完成，而利用“天河二號(hào)”進(jìn)行模擬，只需3到5次實(shí)車(chē)碰撞、兩個(gè)月即可實(shí)現(xiàn)。

在此次超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名奪冠之后，“天河”也與“天宮”、“神舟”一道，成為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)象征。專(zhuān)家們表示，今后，全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的位置將可能出現(xiàn)由中美日三國(guó)計(jì)算機(jī)交替把持的局面。據(jù)了解，目前美國(guó)擁有全球500強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的一半以上。中國(guó)共有65個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入500強(qiáng)榜單，位居第二。日本以30個(gè)位列第三。世界上運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)寶座近年來(lái)一直被美國(guó)、中國(guó)、日本三國(guó)交替占據(jù)。英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)分別以29個(gè)、23個(gè)和19個(gè)位列第四至第六位。

中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算中心主任遲學(xué)斌表示，最近10年，美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)性能提升了500倍，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)性能則提升了5000倍。這意味著中國(guó)超算的發(fā)展速度和發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。3年中兩度研發(fā)出全球速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，短短十幾年里擁有超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)量從零躍居世界第二，這個(gè)成績(jī)顯示了中國(guó)科技實(shí)力的巨大進(jìn)步。不過(guò)美國(guó)仍是超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)用最為廣泛的國(guó)家，因?yàn)槌?jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，有超過(guò)一半屬于美國(guó)。日本、歐洲也實(shí)力強(qiáng)勁，今后的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)非常激烈。

未來(lái)在超算領(lǐng)域，是既有競(jìng)爭(zhēng)，也有合作，科學(xué)家們對(duì)此表示了樂(lè)觀的態(tài)度。據(jù)了解，目前國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心已與歐盟相關(guān)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展基于“天河一號(hào)”核心技術(shù)的并行計(jì)算技術(shù)研究。美國(guó)工程院院士、超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500主持人杰克.唐加拉也認(rèn)為，在工程資金競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，一些國(guó)家難以承擔(dān)超級(jí)計(jì)算機(jī)的巨額費(fèi)用，聯(lián)合各國(guó)共同研制計(jì)算機(jī)，將使各方受益。

技術(shù)走向自主創(chuàng)造

一般人們將摩爾定律表述為計(jì)算機(jī)芯片的性能每18個(gè)月翻一番，但看看超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500榜單的變化就會(huì)發(fā)現(xiàn)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能其實(shí)是每14個(gè)月就增加一倍，比摩爾定律預(yù)言的更快，這是超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了并行處理的結(jié)果。據(jù)了解，目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的基本組成與我們手中的個(gè)人電腦相比并無(wú)太大差異，規(guī)格與性能則強(qiáng)大太多。以處理器CPU為例，目前的個(gè)人電腦一般是兩到四核，而像“天河二號(hào)”這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)則會(huì)集成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的CPU。

據(jù)遲學(xué)斌介紹，“天河二號(hào)”運(yùn)算能力和國(guó)內(nèi)外的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比處于領(lǐng)先位置。在超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)運(yùn)算速度下，人們可以完成普通計(jì)算機(jī)不能完成的大型復(fù)雜課題。假設(shè)每人每秒鐘進(jìn)行1次運(yùn)算，需要我國(guó)13億人同時(shí)用計(jì)算器算上1000年才能完成的運(yùn)算工作，“天河二號(hào)”花上1小時(shí)就能完成。同時(shí)“天河二號(hào)”由170個(gè)機(jī)柜組成，內(nèi)存總?cè)萘窟_(dá)到1400萬(wàn)億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?2400萬(wàn)字節(jié)，相當(dāng)于存儲(chǔ)每?jī)?cè)10萬(wàn)字的圖書(shū)600億冊(cè)，容得下4個(gè)國(guó)家圖書(shū)館的藏書(shū)。

為了自主可控的需要，“天河二號(hào)”使用的是國(guó)產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能在超級(jí)計(jì)算機(jī)中運(yùn)用，其在國(guó)家電網(wǎng)d5000項(xiàng)目中已經(jīng)得到使用，截至2012年底已部署上線(xiàn)3000余節(jié)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在全國(guó)20余省市。

“天河二號(hào)”的另一個(gè)獨(dú)創(chuàng)之處是微異構(gòu)融合體系。我國(guó)科技人員首創(chuàng)的獨(dú)具匠心的“CPU+GPU異構(gòu)融合體系”曾在“天河一號(hào)”中獲得成功，之后這種結(jié)構(gòu)已被國(guó)際上很多超級(jí)計(jì)算機(jī)采用。這次中國(guó)設(shè)計(jì)師們?cè)俦脔鑿剑骸疤旌佣?hào)”沒(méi)有繼續(xù)使用GPU，而是用被稱(chēng)為MIC的英特爾部件作為加速器。這一被稱(chēng)為“新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”的全新搭配方式不僅大大提高了機(jī)器的計(jì)算速度，還將“天河二號(hào)”的應(yīng)用從科學(xué)計(jì)算拓展至高效大數(shù)據(jù)處理、高吞吐率和高安全信息服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。

為什么有了中國(guó)芯，“天河二號(hào)”還得使用外國(guó)芯片？對(duì)此“天河二號(hào)”副總指揮李楠坦陳，“天河二號(hào)”無(wú)法完全使用國(guó)產(chǎn)CPU，是出于軟件兼容性的需要?！俺?jí)計(jì)算機(jī)有5個(gè)核心要素：體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)技術(shù)、操作系統(tǒng)、CPU和應(yīng)用軟件，缺一不可”。李楠說(shuō)，“天河二號(hào)”獨(dú)創(chuàng)的異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)很可能再次引領(lǐng)國(guó)際潮流，自主研發(fā)的高速互聯(lián)性能是國(guó)際商用產(chǎn)品的兩倍，國(guó)產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)具有很高的安全性?！耙虼?，前三個(gè)要素我們都解決得很好，但后兩個(gè)要素是短板。”

據(jù)了解，“天河二號(hào)”運(yùn)用于一般科學(xué)計(jì)算的計(jì)算陣列，是由4000個(gè)國(guó)產(chǎn)FT-1500和英特爾商用CPU共同構(gòu)建的。實(shí)際上，這兩款中央處理器的性能相當(dāng)接近。單個(gè)英特爾CPU集成12個(gè)核，主頻2.2G赫茲，功耗110瓦。而單個(gè)FT-1500集成16個(gè)處理器核，主頻1.8G赫茲，功耗65瓦，在節(jié)能方面甚至更有優(yōu)勢(shì)。

“天河二號(hào)”作為科技助力，將主要應(yīng)用于大飛機(jī)研發(fā)、石油勘探、核電站建設(shè)以及大型裝備的設(shè)計(jì)制造等大科學(xué)、大工程、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和信息化建設(shè)領(lǐng)域。