天河二號：世界第一超級計算機背后的故事

羅亮

自2013年6月起成為全球最快的超級計算機，天河二號的霸主位置就沒有被動搖過。

2014年6月23日，國際TOP500組織公布全球超級計算機500強排行榜最新榜單，天河二號以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續(xù)第三次獲得冠軍。（注：榜單每半年公布一次）

連續(xù)三次獲得全球超計算機冠軍，讓外界對于這臺龐大的超級計算機產(chǎn)生了濃厚的興趣。人們希望迫切了解這臺超級計算機的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀。

天河二號誕生

天河二號目前位于廣州的超級計算中心，主機房面積在4000平方米以上。

天河二號是國家科技部“十二五”863重大項目立項研制的項目，國防科技大學(xué)牽頭進行了研發(fā)工作。近300人的研發(fā)團隊從2011年開始，歷時兩年多才研制完成。

在天河二號之前，國防科技大學(xué)的團隊曾在2010年研制出了天河一號，并首次讓中國超級計算機站到了世界冠軍的領(lǐng)獎臺上。

然而，僅僅過了不到8個月，日本一臺名為“京”的超級計算機就將天河一號擠下冠軍臺。之后，美國研制的“紅杉”、“泰坦”超級計算機也先后坐上世界第一的交椅，天河一號排名滑落至第8名。

實際上，當外界還稱贊天河一號奪得世界第一時，天河二號的開發(fā)工作已經(jīng)悄然展開。2013年6月，經(jīng)過280多人長達2年多的潛心研發(fā)，天河二號正式研制成功，并很快奪回超級計算機冠軍的寶座。至今，天河二號已經(jīng)連續(xù)3次成為全球最快的超級計算機。

“上學(xué)的時候，最煩的和最驕傲的事情就是學(xué)校停電。”畢業(yè)于國防科技大學(xué)的穆童（化名）每每回憶起校園生活時都會這樣說到，“學(xué)校里的那個‘龐然大物一旦全速運轉(zhuǎn)，全校就會停電，無論你是在看電視、打電腦游戲，都需要接受這一事實，就連校長也不例外。”

穆童所指的龐然大物就是天河二號，一臺運算能力驚人的超級計算機。穆童還清楚地記得，那兩年里，為了保障天河二號的研發(fā)工作，該校的校黨委還專門下發(fā)過通知，號召全校師生一起節(jié)約用電。

“在長沙30多度的夏天里，國防科技大學(xué)的校長、院長還有學(xué)生們要響應(yīng)號召，關(guān)掉空調(diào)等大功率的電器，換上電風扇?！被貞涍@個場景時，穆童的臉上閃過一絲得意之情。

如今，國防科技大學(xué)的新生們再也體會不到這種“停電”帶來的驕傲了，因為天河二號已經(jīng)從長沙的國防科技大學(xué)搬遷到廣州超級計算中心。而隨著專線電源的提供，未來天河N號的研發(fā)可能再也不會讓全校的師生們?nèi)淌荛L沙的酷暑了。

天河二號能夠做什么

天河二號歷時兩年多研制完成，耗資上億美元。如此巨額的投資，最終當然是為了服務(wù)國家經(jīng)濟建設(shè)，而非只是標榜國家在超級計算機領(lǐng)域的能力已經(jīng)達到怎樣的高度。

除了助力探月工程、載人航天等政府科研項目外，天河二號目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如石油勘探、汽車飛機的設(shè)計制造、基因測序等。

在“天河二號”一排排高大的黑色機柜里，一共裝有32000顆主CPU和48000個協(xié)處理器，共300多萬個計算核心。擁有如此多的計算核心讓它的運算速度也非常驚人。

據(jù)測算，天河二號的峰值計算速度達到每秒5.49億億次，而持續(xù)計算時的速度每秒可達3.39億億次。假設(shè)每人每秒鐘進行一次運算，“天河二號”運算一小時，相當于13億人同時用計算器算上1000年。

據(jù)專家介紹，傳統(tǒng)手段研發(fā)新車，一般要經(jīng)過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3-5次實車碰撞、兩個月即可實現(xiàn)。

此外，天河二號還可應(yīng)用于娛樂產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在通過超級計算機制作動漫和3D電影已經(jīng)成為潮流。電影《阿凡達》動漫渲染制作耗時一年多完成。如果用天河二號，僅用1個月就可制作出與《阿凡達》動漫渲染效果相當?shù)挠捌?/p>

中國商用飛機設(shè)計有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機全參數(shù)氣動優(yōu)化設(shè)計，在天河二號計算6天，完成了其自身計算平臺約需2年的工作量，極大地提高了優(yōu)化工作效率。

華大基因互聯(lián)網(wǎng)支撐與發(fā)展中心負責人說，天河二號具有強大的計算能力，以500人規(guī)模的全基因組信息關(guān)聯(lián)性分析為例，華大基因利用原有計算機需1年時間，利用天河二號只需3個小時。華大基因是天河一號和天河二號的大商業(yè)客戶。

據(jù)該負責人表示，華大基因使用的生物信息軟件能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程;同時天河二號強大的計算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數(shù)據(jù)分析所需的計算資源，節(jié)省大量分析時間。

截至目前，國家超算廣州中心的天河二號在短短幾個月的運行中為120多家用戶提供了300多項典型應(yīng)用計算。

更為重要的是，天河二號這樣的技術(shù)實際上可以進行復(fù)制。據(jù)天河二號主任設(shè)計師盧宇彤透露，天河一號和天河二號的技術(shù)可以用在規(guī)模小一點、用戶可以定制的“小天河”超級計算機上?！?010年，天河一號研制成功以后，實際上到2012年，‘小天河這樣的系統(tǒng)已經(jīng)推廣了11套?！?/p>

早在2013年9月，天河二號剛剛第一次拿下“全球最快超級計算機”的名號時，新浪科技曾采訪過盧宇彤，只是當時外界對于天河二號的關(guān)注度遠沒有今天高。

能耗難題：年耗電上億元

從目前天河二號來看，計算節(jié)點的能耗約為18兆瓦，再加上散熱系統(tǒng)的整體能耗在20兆瓦以上。如果正常運行，天河二號每年的電費就會超過1億元，年耗電量約為2億度。

對于外界對天河二號的耗電量高的質(zhì)疑，中科院計算所計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室研究員張云泉表示，雖然目前天河二號的能耗絕對值很高，但是外界應(yīng)該看到它的性能也高。

張云泉的意思是說，外界也應(yīng)該注意到這一點：天河二號在單位耗能內(nèi)實現(xiàn)的計算速度更快。

目前天河二號的運算能耗比約為1.90千萬億次/秒兆瓦，落后于計算能力排名第二、第三的“泰坦”和“紅杉”，但是遠高于排名第四位的日本“京”的0.83千萬億次/秒兆瓦，也高于排名第五的“米拉”的0.92千萬億次/秒兆瓦。endprint

“泰坦”和“紅杉”的運算能耗比分別是1.95千萬億次/秒兆瓦和2.17千萬億次/秒兆瓦，運算能耗比略高于天河二號。

現(xiàn)如今，天河二號作為世界排名第一的超級計算機，其理論峰值性能超過了5億億次/秒，但是距離未來將要實現(xiàn)的100億億次/秒目標依然有著不小的差距。

目前天河二號擁有1萬多個計算節(jié)點，未來計劃將節(jié)點數(shù)量增加到3萬甚至5萬個。但隨著節(jié)點數(shù)量的提升，在管理和能耗方面的問題也將徹底凸顯出來。

“如果按現(xiàn)在的趨勢這樣增加下去，100億億次/秒的超算系統(tǒng)功耗將達到400兆瓦，肯定是無法接受的?！睆堅迫嬖V新浪科技，國際上公認的100億億次/秒的超算標準是，功耗必須控制在20兆瓦內(nèi)。

“實際上，這就要求未來的超算系統(tǒng)能夠進行體系結(jié)構(gòu)，硬件、軟件和制冷等多方面的創(chuàng)新。” 張云泉說。

超算的難題：應(yīng)用軟件缺失

計算能力的不斷提高是一個重要的課題，但將超級計算機應(yīng)用起來顯然意義更大。

中國已經(jīng)連續(xù)四屆拿下超級計算機的桂冠，但根據(jù)國際TOP500組織今年6月公布的最新全球超級計算機500強排行榜，美國仍然是擁有超級計算機最多的國家，在500強名單中占據(jù)233席。中國有76個超級計算機進入最新的500強榜單，位居世界第二。第三位至第六位，分別是日本、英國、法國和德國。

目前，我國國家級超算中心主要有天津中心、濟南中心、長沙中心、深圳中心以及廣州超算中心。這些超算中心承擔了超算推廣與應(yīng)用的任務(wù)。

據(jù)行業(yè)人士介紹，按運行時間看，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%。相比之下，國外超算中心的利用率普遍在60%左右。不過，受限于軟件開發(fā)和應(yīng)用支持，國內(nèi)超級計算機運行時的資源利用率低下。

上海超算中心主任奚自立在2012年接受新浪科技采訪時曾表示，上海超算中心擁有200萬億次計算能力，但是只有20%-30%運算任務(wù)能夠擴展到10萬億次，有20%-30%的計算任務(wù)能夠利用的計算力低于2萬億次。很多計算資源由于應(yīng)用的問題實際上用不到，造成一定的浪費。

對于應(yīng)用落后的問題，國家863計劃“高性能計算機及其核心軟件”重大專項總體組組長錢德沛教授曾指出，這主要有三個原因：第一，中國開展超級計算機業(yè)務(wù)的時間還很短;第二，超級計算人才缺乏;第三，中國軟件發(fā)展體制存在問題，由于盜版等因素沒人愿意進行大型應(yīng)用開發(fā)。

據(jù)他當時透露，“十一五”期間國家在超級計算機項目上投資了9.4億元，但是真正用于應(yīng)用開發(fā)的費用還不到1億元?！皯?yīng)用瓶頸是一個過程問題，未來這個問題還會長期存在?！?/p>

浪潮集團高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍認為，國內(nèi)超級計算機發(fā)展速度超過應(yīng)用和人才方面的成長速度，導(dǎo)致超級計算機硬件與應(yīng)用軟件之間出現(xiàn)了很大的鴻溝。而正是這種鴻溝的存在，讓國內(nèi)企業(yè)和機構(gòu)更加有緊迫感去培養(yǎng)人才和開發(fā)超級計算機的應(yīng)用。?

（本文轉(zhuǎn)自新浪科技）endprint