國之重器 超級大腦

侯立順

2015年1月9日，北京，人民大會堂 ，“天河一號”超級計算機獲2014年度國家科技進步獎特等獎，這是一個歷史性的時刻。從1983年中國科學(xué)家研制成功“銀河”第一代巨型計算機開始，歷經(jīng)數(shù)代中國科學(xué)家的艱苦探索，2010年，我國的超級計算機“天河一號”，勇奪國際TOP500排名第一?！疤旌右惶枴笨梢栽?秒鐘內(nèi)實現(xiàn)2 570萬億次運算，而普通的商用計算機峰值為每秒10億次運算。中國超級計算機終于沖上世界之巔，“天河一號”也被譽為“國之重器”。

玻璃房子的故事

20世紀(jì)80年代，中國氣象部門想從歐美進口一臺計算機，美國克雷公司起初死活不肯賣。后來好不容易成交了，卻將計算機封在玻璃機房里，并在計算機機房安裝監(jiān)視儀器，機器也要由他們自己人使用監(jiān)控，不許中國科技人員進去。這段真實的歷史，是中國科研工作者心中永遠(yuǎn)的痛。

2014年11月18日，由確定超級計算機運算速度的歐美專家組成的“國際TOP500組織”公布了最新排行榜。根據(jù)軟件測試，中國的“天河二號”超級計算機運算速度達到了每秒33.86千萬億次，連續(xù)四次成為世界第一的計算機系統(tǒng)。相比此前排名世界第一的美國克雷公司“泰坦”超級計算機，“天河二號”計算速度是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍。與“天河一號”相比，“天河二號”計算性能和計算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，耗電量只有“天河一號”的1/3?！疤旌佣枴边\算1小時，相當(dāng)于13億人同時用計算器計算1 000年，其存儲總?cè)萘肯喈?dāng)于存儲每冊10萬字的圖書600億冊。

超級計算機什么樣？

一臺超級計算機由安放在巨大空調(diào)機房中的數(shù)十個機柜組成。機柜里，數(shù)以百計的服務(wù)器和成千上萬的芯片彼此相聯(lián)，終日轟鳴，需要多位技術(shù)人員維護其運行。超級計算機所用的處理器和最快的個人電腦并無二致，但數(shù)量卻以萬計，以并行運算的方式分擔(dān)著計算任務(wù)。工程師們還對一般用于游戲機的圖像處理器加以利用，從而能夠以相對較低的能耗大大加快運算速度。中國的“天河一號”裝有7 000塊圖形處理芯片和1.4萬個英特爾處理器。

專家預(yù)測，10年后，計算機的速度將比現(xiàn)在快上1 000倍，速度單位將升級為“百億億次/秒”。不過為了加快運算速度，就必須使用更多的處理器。超級計算機是個耗能大戶，每一臺的功率趕得上一個火車頭！若將運算速度提高到“百億億次/秒”的級別，超級計算機功率就要提高1 000倍，它們將不得不建在發(fā)電廠旁邊才能維持電力供給！因此，目前研究主要是減少處理器的電力消耗，如對處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸進行優(yōu)化。另一個目標(biāo)則是開發(fā)新的編程語言來“協(xié)調(diào)”數(shù)十萬處理器之間的工作并預(yù)防故障的發(fā)生。

為什么需要超速運算？

當(dāng)情況過于復(fù)雜，無法通過實驗?zāi)M時，超級計算機即可大顯身手。超級計算機可對地震、探礦、飛機穿過氣流或藥物作用于細(xì)胞等各種現(xiàn)象進行數(shù)字化分析。

最早借助超級計算機的是氣象學(xué)家，他們得以進行更為周密的運算，并對氣候變化做出預(yù)測。這些功能強大的計算機分析來自衛(wèi)星的信息，將它們與數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行對比。鑒于現(xiàn)在氣候研究以全球為考量，所以越來越需要先進的運算工具，來分析諸如風(fēng)和溫度的變化，地形、土壤濕度、洋流路線或大氣污染物排放等紛繁復(fù)雜的信息。

當(dāng)然，超級計算機也被用于其他戰(zhàn)略性領(lǐng)域。如在石油開采中，通過分析超聲波回聲探測所取得的數(shù)據(jù)，利用數(shù)字模擬可以增加找到礦脈的機會。而在航空工業(yè)里，計算機建模大大減少了在找到最佳空氣動力學(xué)方案之前所要建造的機翼模型數(shù)量。從天體物理學(xué)到醫(yī)學(xué)，超級計算機的應(yīng)用范圍無限廣闊，模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為洋流、核爆炸、地震活動或雪崩建模，模擬宇宙的形成……幾乎所有科學(xué)研究領(lǐng)域都需要超級計算機。

我國為何投身超級計算機？

如果缺少這一科學(xué)疆場上必不可少的“打擊力量”，就無法真正成為強國。中國經(jīng)濟總量在2010年超過了日本，成為僅次于美國的世界第二大經(jīng)濟體。這個長期以來以低成本加工業(yè)著稱的“世界工廠”，現(xiàn)在已進入了飛速發(fā)展的階段。為了迎頭趕上，中國投入巨資，對工業(yè)體系進行改造，一方面以滿足國民富裕后的消費需求，另一方面旨在掌握戰(zhàn)略性裝備（如軍用飛機或衛(wèi)星）的建造技術(shù)。在這新一輪的創(chuàng)新大戰(zhàn)中，高性能的計算工具無疑是一件珍貴的武器。

超級計算機除用于模擬演算地震、海嘯、臺風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，還將運用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機的研發(fā)等工作。對于計算機性能的要求似乎永無止境，因為人們總是想以更快的速度模擬復(fù)雜現(xiàn)象。事實上，一個國家擁有的超級計算機的數(shù)量和性能如今甚至成為衡量其經(jīng)濟實力的一項指標(biāo)。各國研究機構(gòu)近十幾年所裝備的超級計算機，速度最快的可以在一天內(nèi)完成普通商用計算機需要300年才能完成的任務(wù)！

中學(xué)生能為超速運算做些什么？

超級計算機發(fā)展的主要障礙在于成本過高，一臺超級計算機由許多機組構(gòu)成，僅僅一個制作機組就需要花費數(shù)千歐元，而運行后的電力和后期維護會進一步增加費用。工程師們也曾試驗過其他更為經(jīng)濟節(jié)約的方法，計算機網(wǎng)絡(luò)或稱為網(wǎng)格計算被證明是可行的解決之道。采用聯(lián)網(wǎng)個人電腦進行的網(wǎng)格計算有時能成功替代超級計算機完成任務(wù)。

美國加州大學(xué)伯克利分校十幾年來使用數(shù)以百萬計接入互聯(lián)網(wǎng)的個人電腦，搜索外星生命跡象，這就是著名的Seti@home項目（在家搜尋外星智慧，是一個通過互聯(lián)網(wǎng)利用家用個人計算機處理天文數(shù)據(jù)的分布式計算項目。該項目試圖通過分析阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡采集的無線電信號，搜尋能夠證實外星智能生物存在的證據(jù)）。該項目數(shù)據(jù)基數(shù)很大，超過了千萬位數(shù)，是目前世界上最大的分布式計算項目，已有160多萬臺計算機加入了此項目，而中國大約有超過2萬名志愿者參與其中。其實，只要你的電腦有閑置的時間并且接入網(wǎng)絡(luò)，就可以幫助他們尋找外星人、探索生命奧秘，只需要你安裝美國加州大學(xué)伯克利分校的分布式計算軟件：BONIC官方下載地址：http：//boinc.berkeley.edu/ download.php

如果計算機配備了NVIDIA的顯卡，你可以通過顯卡來計算：http：//boinc.berkeley.edu/ wiki/GPU_computing.

此外，還有一種替代方案也在研究之中，那就是使用儲存互聯(lián)網(wǎng)高性能服務(wù)器。淘寶、亞馬孫等網(wǎng)站的大型服務(wù)器往往沒有被充分利用，或可用來完成大量高強度運算，并在某些沒有超級計算機的企業(yè)有需求的時候開放數(shù)字模擬服務(wù)。