國之重器：“天河”高性能計算機(jī)發(fā)展歷程

趙陽輝　陳方舟　溫運(yùn)城

繼2010年“天河一號”首次問鼎全球最快超級計算機(jī)之后，“天河二號”連續(xù)六次蟬聯(lián)全球超級計算機(jī)TOP500冠軍。除令人嘆服的運(yùn)行速度外，“天河”系列高性能計算機(jī)還擁有中國自主研發(fā)的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)、高速互連網(wǎng)絡(luò)、新型并行編程模型框架等核心技術(shù)。它的成功是我國計算機(jī)領(lǐng)域幾代科學(xué)家共同努力的結(jié)果。

高性能計算機(jī)（早期稱為巨型機(jī)），又稱超級計算機(jī)，是以每秒浮點(diǎn)運(yùn)算速度來衡量的，具有超高運(yùn)算能力和超大存儲容量的超大規(guī)模電子計算機(jī)。自1960年代以來，美、英、法、德、日等發(fā)達(dá)國家相繼推出系列巨型計算機(jī)，引領(lǐng)世界計算機(jī)發(fā)展之方向，在量子力學(xué)、密碼分析、氣象和天氣預(yù)報、石油和天然氣開采以及軍事等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生巨大社會效益。

在1993年開始發(fā)布的全球超級計算機(jī)TOP500排行榜中，美國始終占據(jù)最多席位，處于世界首位。作為一個為高性能計算機(jī)提供統(tǒng)計的組織，TOP500主要針對高性能計算機(jī)制造商、用戶以及潛在用戶，通過用Linpack程序?qū)Ω咝阅苡嬎銠C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，取前500最優(yōu)系統(tǒng)進(jìn)行排名，每年發(fā)布兩次，并在TOP500網(wǎng)站公布。2010年，中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)（簡稱國防科大）研制的“天河一號”第一次超越美國，榮登全球超級計算機(jī)TOP500排行榜榜首。此后，“天河二號”連續(xù)六次蟬聯(lián)全球最快超級計算機(jī)排行榜榜首。“天河”系列超級計算機(jī)的成功，既有深厚的歷史淵源，又有長期的技術(shù)積累，更有時代迫切需求的強(qiáng)勁動力，是中國發(fā)展計算機(jī)技術(shù)服務(wù)于國家建設(shè)和國防事業(yè)的重要體現(xiàn)。

中國計算機(jī)技術(shù)的起步

第二次世界大戰(zhàn)全面爆發(fā)前夕，科學(xué)學(xué)的創(chuàng)始人、英國學(xué)者貝爾納（J.D.Bernal，1901-1971）指出：“科學(xué)與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的；實際上，除了19世紀(jì)的某一段期間，我們可以公正地說：大部分重要的技術(shù)和科學(xué)進(jìn)展是海陸軍的需要所直接促成的?！?946年2月誕生于美國阿伯丁彈道研究實驗室的世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC，迫不及待地證明了貝爾納這一見解的正確性。不僅如此，中國計算機(jī)的發(fā)展歷程也是有力佐證之一。

在ENIAC問世之時，中國剛結(jié)束抗日戰(zhàn)爭，隨即又進(jìn)入解放戰(zhàn)爭，連年浩大的戰(zhàn)亂令國人無暇顧及計算機(jī)的研制及考慮其對武器裝備發(fā)展的影響。

直到新中國成立不久后爆發(fā)抗美援朝戰(zhàn)爭，入朝作戰(zhàn)的中國軍隊高級將領(lǐng)深刻認(rèn)識到武器裝備技術(shù)對未來戰(zhàn)爭的決定性影響，以及加強(qiáng)軍隊和國防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切性。軍事理論家郭化若（1904-1995）將軍多次指出，“在抗美援朝戰(zhàn)爭中因為我軍沒有制空權(quán)，而難以達(dá)成戰(zhàn)役的殲滅戰(zhàn)，因為我軍沒有制海權(quán)而不能達(dá)成戰(zhàn)略的殲滅戰(zhàn)。只有搞好我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提高經(jīng)濟(jì)實力，搞好我軍的現(xiàn)代化建設(shè)（主要是武器裝備的現(xiàn)代化建設(shè)），提高我軍的作戰(zhàn)能力，我們的國家安全才更有保證”。受命創(chuàng)辦中國人民解放軍軍事工程學(xué)院（簡稱哈軍工）的陳賡（1903-1961）大將更是一針見血地指出：“技術(shù)兵器確是決定戰(zhàn)爭勝敗的重要因素?！?/p>

1952年，中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所所長華羅庚（1910-1985）提出發(fā)展計算機(jī)。1956年國務(wù)院制定的《十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，將計算機(jī)列為六個重點(diǎn)項目之一，采取緊急措施以保證其發(fā)展，并籌建中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所。1958年，中國在蘇聯(lián)幫助下試制出103計算機(jī)，至此中國“有了”計算機(jī)。1959年，第一臺大型通用電子計算機(jī)104機(jī)研制成功。1965年、1967年中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所（簡稱中科院計算所）、華北計算技術(shù)研究所、華東計算技術(shù)研究所等相繼自行研制成功系列電子計算機(jī)，其中109乙機(jī)（運(yùn)行速度9萬次/秒）和109丙機(jī)（運(yùn)行速度11.5萬次/秒）為兩彈做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，它們的應(yīng)用使得中國繼第一顆原子彈裝置核爆成功后不到3年，就成功爆炸第一顆氫彈，研制速度快于美國的7年和蘇聯(lián)的4年。由此可見，計算技術(shù)的發(fā)展對于加快國防現(xiàn)代化進(jìn)程的重要性是不言而喻的。

中國軍用計算機(jī)的源起及發(fā)展

中國軍用計算機(jī)的研制源于哈軍工。哈軍工系國防科大的前身，創(chuàng)辦于1953年，陳賡大將任第一任院長。

1956年秋，海軍司令部提出研制魚雷快艇指揮儀的任務(wù)，交由哈軍工海軍工程系完成。1957年8月，海軍工程系助教柳克俊（1933-）呈交《關(guān)于發(fā)展艦用電子計算機(jī)，研究試制供快艇用的快速電子指揮儀的報告》，指出：“1956年底，結(jié)合世界電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況，已萌生想用電子數(shù)字計算技術(shù)來解決魚類快艇的問題，經(jīng)過不斷地實際探索，特建議發(fā)展海軍艦用電子計算機(jī)……”1958年9月28日，代號為“331”的電子計算機(jī)完成初步考核，結(jié)果顯示其邏輯正確、運(yùn)行正常。這是哈軍工乃至中國第一臺軍用電子數(shù)字計算機(jī)樣機(jī)，盡管它還達(dá)不到生產(chǎn)和裝備部隊的水平。在1959-1970年間，331機(jī)研制組經(jīng)過晶體管老化篩選，利用V型掃描法和切比雪夫最佳逼近方法，實現(xiàn)了魚雷快艇指揮儀的晶體管化和小型化，使其終于成為真正意義上的首臺軍用計算機(jī)。

1960年代初，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，計算機(jī)晶體管化、通用化和生產(chǎn)批量化已成為可能，電子計算機(jī)進(jìn)入晶體管時代。此時，從英國考察歸來的哈軍工電子技術(shù)系（1961年成立）主任慈云桂（1917-1990），及時把握這一發(fā)展趨勢，決定立即下馬已經(jīng)開始的電子管計算機(jī)項目，發(fā)展晶體管通用計算機(jī)。慈云桂就“國內(nèi)有無研制條件”和“國產(chǎn)元器件是否能夠過關(guān)”等問題進(jìn)行了深入的調(diào)查研究，形成論證報告后上報國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會（簡稱國防科工委），得到主管科技工作的國務(wù)院副總理聶榮臻（1899-1992）的支持，他指示“盡快用國產(chǎn)晶體管研制通用計算機(jī)”。在慈云桂主持研制代號“441B”的通用晶體管計算機(jī)的過程中，海軍工程系年輕教員康鵬（1936-）提出“用國產(chǎn)的參數(shù)不一致的晶體管，構(gòu)建出一致的、波形寬度標(biāo)準(zhǔn)的電路”的辯證思想，解決了信號競爭問題和觸發(fā)器“一觸即發(fā)”的問題，進(jìn)而發(fā)明隔離阻塞一推拉觸發(fā)器電路，解決441B機(jī)基礎(chǔ)電路的穩(wěn)定性問題，最終用國產(chǎn)半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)出性能穩(wěn)定可靠的晶體管計算機(jī)。1964年8月，44lB機(jī)順利通過穩(wěn)定性考核，先后生產(chǎn)100余臺，廣泛用于國防、經(jīng)濟(jì)及教育等領(lǐng)域。這標(biāo)志著哈軍工的計算機(jī)技術(shù)已走在國內(nèi)同行前列，并為下一代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1969年11月，鑒于國防科研需要，國防科工委主持召開“遠(yuǎn)望號”測量船控制計算處理中心方案論證會。哈軍工電子計算機(jī)系（1966年成立）主任慈云桂提議研制百萬次集成電路計算機(jī)，他提出的利用系統(tǒng)設(shè)計的可靠性來彌補(bǔ)國產(chǎn)小規(guī)模集成電路初期產(chǎn)品缺陷的技術(shù)思路獲得認(rèn)同，從而與華北計算所分別立項。

1970年哈軍工主體南遷長沙，改名長沙工學(xué)院。1978年6月，中央軍委批準(zhǔn)長沙工學(xué)院重新回到軍隊序列，改建國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)。在這動蕩的8年中，他們克服許多困難，在高速晶體管一晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）小規(guī)模集成電路、插件式存儲器、圖形顯示設(shè)備等領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，研制成功代號為“151”的百萬次大型計算機(jī)，該機(jī)在1980年5月我國首次成功發(fā)射洲際導(dǎo)彈中發(fā)揮了重要作用，進(jìn)而確立了國防科大計算機(jī)團(tuán)隊在中國計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的重要地位。

“銀河”億次巨型機(jī)的研制

1976年，美國第一臺超級計算機(jī)Cray-1實現(xiàn)了1億次/秒的運(yùn)算速度，標(biāo)志著巨型計算機(jī)時代的來臨。Cray-1主要用于美國國防部、航天局、能源部及國家安全局等與軍事密切相關(guān)的核心部門。之后，法國、英國、聯(lián)邦德國、日本等國奮起直追，相繼研制出巨型計算機(jī)。

早在1967年9月，聶榮臻就提議研制更高水平的計算機(jī)，以滿足發(fā)展尖端武器、增強(qiáng)國防實力的迫切需要。1972年10月，國防科工委向中央專委建議將巨型計算機(jī)的研制列入國家重點(diǎn)工程項目。1974年初，中國科學(xué)院、第四機(jī)械工業(yè)部（簡稱四機(jī)部）和國防科工委三部門聯(lián)合向國務(wù)院、中央軍委、中央專委提出，組織全國力量開展巨型計算機(jī)的研制。1975年10月，國防科工委主任張愛萍（1910-2003）責(zé)成慈云桂負(fù)責(zé)組織國內(nèi)計算機(jī)專家調(diào)查小組，就巨型機(jī)需求、國內(nèi)元器件、外設(shè)生產(chǎn)狀況和性價比等情況進(jìn)行全國調(diào)研，因受“文革”影響，工程雖經(jīng)籌劃，未能實施。

1977年5月，慈云桂組織長沙工學(xué)院再次進(jìn)行全國性調(diào)研，完成億次巨型機(jī)的調(diào)研報告。11月14日，國防科工委向中央呈報《關(guān)于研制巨型電子計算機(jī)事》的請示報告。隨后，張愛萍親自邀請國內(nèi)專家進(jìn)行方案論證，中科院計算所、四機(jī)部等單位亦爭相立項。1978年1月29日，國防科工委再次向中央呈交了《關(guān)于安排研制億次計算機(jī)情況報告》，著重強(qiáng)調(diào)長沙工學(xué)院計算機(jī)團(tuán)隊的立項優(yōu)勢。3月4日，鄧小平（1904-1997）決定把中國第一臺巨型計算機(jī)的研制任務(wù)交給長沙工學(xué)院，慈云桂擔(dān)任總設(shè)計師。5月，國防科工委組織召開論證會，“785”工程任務(wù)正式啟動。

“785”工程在立項之初，就確立了“跟蹤國外最先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)國內(nèi)一時無力生產(chǎn)而國外又能買到的元器件和設(shè)備，用自己的智慧和技術(shù)設(shè)計研制做出中國的巨型機(jī)”的指導(dǎo)思想。在“自力更生與適當(dāng)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合、走發(fā)展具有中國特色的巨型計算機(jī)新路”的方針指導(dǎo)下，“785”工程團(tuán)隊吸收了Cray-1的先進(jìn)思想，巨型計算機(jī)選取了底板走線最短、最有利于信號高速傳輸?shù)膱A柱形。研究人員在體系結(jié)構(gòu)、邏輯、元器件、組裝等方面，以中國國情為基礎(chǔ)有所創(chuàng)新；在硬件設(shè)計上，采用雙向量陣列部件方案，并按照慈云桂、楊曉東等人提出的素數(shù)模存儲體交叉訪問的設(shè)想，解決了總體設(shè)計難題；在軟件方面，開創(chuàng)了并行算法，并行化程序設(shè)計，并行操作系統(tǒng)，大型診斷系統(tǒng)和向量化、優(yōu)化的FORTRAN編譯系統(tǒng)，在國內(nèi)首次采用軟件工程化的方法完成了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計任務(wù)；在工程組織和管理方面，建立“垂直”的工程指揮系統(tǒng)，從國防科工委、國防科大到計算機(jī)系兼研究所、研究室、小組集中統(tǒng)一，縱向管理。“785”工程在全國范圍內(nèi)，大力協(xié)同高校、研究所、工廠等一系列相關(guān)部門，聯(lián)合攻關(guān)。經(jīng)過五年多的艱苦奮斗，終于在1983年12月研制出中國第一臺億次巨型計算機(jī)，并順利通過國家鑒定，張愛萍親自為其題名“銀河”。

“銀河”億次巨型機(jī)成為當(dāng)時中國運(yùn)算速度最快、存儲容量最大、功能最強(qiáng)的計算機(jī)系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)“具有國內(nèi)先進(jìn)水平，某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平”，打破美國對中國長期的技術(shù)封鎖。中國成為繼美、日、法、英、德之后能夠獨(dú)立設(shè)計、制造巨型機(jī)的國家。此后，國防科大相繼推出銀河系列巨型機(jī)和仿真計算機(jī)，“成為我國戰(zhàn)略武器研制、航天航空飛行器設(shè)計、國民經(jīng)濟(jì)的預(yù)測和決策、能源開發(fā)、天氣預(yù)報、圖像處理、情報分析，以及各種科學(xué)研究的強(qiáng)大的計算工具”。

伴隨著從哈軍工到國防科大的歷史變遷，一支勇于拼搏、獻(xiàn)身國防的工程創(chuàng)新團(tuán)隊建立起來。多年來，豐富的工程實踐經(jīng)驗培養(yǎng)出一大批復(fù)合型創(chuàng)新人才，形成“胸懷祖國、團(tuán)結(jié)協(xié)作，志在高峰，奮勇拼搏”的銀河精神，為中國發(fā)展高性能計算機(jī)奠定了堅實基礎(chǔ)。

“天河”高性能計算機(jī)的成就及意義

高性能計算機(jī)在科技、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的作用日益顯現(xiàn)，并得到廣泛應(yīng)用，它已成為國際競爭的戰(zhàn)略目標(biāo)，在一定程度上代表了國家的綜合實力。

高性能計算機(jī)的超強(qiáng)計算處理能力有力地推動了科技的發(fā)展。在航空航天技術(shù)領(lǐng)域，它能夠協(xié)助專業(yè)技術(shù)人員完成大規(guī)模計算和飛行器設(shè)計模擬工作；在石油勘探領(lǐng)域，它能增強(qiáng)物探數(shù)據(jù)處理能力和信息管理能力，提高勘探工作的速度和精確度；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，它可結(jié)合藥物實驗進(jìn)行計算模擬，降低藥物研發(fā)成本，拓寬疾病救治途徑。不僅如此，高性能計算機(jī)還具有超強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲能力，可全面系統(tǒng)地搜集、處理地球、海洋、大氣等環(huán)境的大數(shù)據(jù)，便于人類更好地認(rèn)識、了解、改善自己的生存空間。

高性能計算機(jī)已成為推動新軍事變革的加速器。早在2007年，美國國防部就提出為期八年的“高性能計算現(xiàn)代化計劃”，并投入20億美元用于研制高性能計算機(jī)，目的就是提高武器裝備、流體力學(xué)、空氣動力學(xué)以及空間和海洋環(huán)境特性的建模與仿真技術(shù)。此外，在獲取情報和分析情報的過程中，高性能計算機(jī)利用數(shù)據(jù)流程建模，能夠在浩如煙海的信息流中快速準(zhǔn)確地找到破解密鑰；在戰(zhàn)爭設(shè)計及推演方面，超級計算機(jī)亦能夠綜合統(tǒng)籌概率論、博弈論、統(tǒng)計學(xué)和運(yùn)籌學(xué)等科學(xué)方法，迅速處理和分析相關(guān)參數(shù)，模擬和推演出作戰(zhàn)過程并預(yù)測出戰(zhàn)爭結(jié)局，形成最優(yōu)作戰(zhàn)方案。

正是由于高性能計算機(jī)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要地位及意義，發(fā)達(dá)國家將其列為涉及國家核心利益的高科技產(chǎn)品，實行技術(shù)禁運(yùn)。因此，中國的高性能計算機(jī)必須走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。2006年，國家科技部將高性能計算機(jī)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略予以實施，“天河”高性能計算機(jī)工程正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

在“天河一號”高性能計算機(jī)系統(tǒng)取得的眾多突破性成就中，最引人注目的是異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。由于一顆中央處理器（central processing unit，CPU）的峰值計算處理能力是確定的，構(gòu)建一個具有超強(qiáng)計算處理能力的超級計算機(jī)系統(tǒng)，通常需要使用眾多CPU，待建計算機(jī)系統(tǒng)總的計算處理能力就等于單顆CPU的計算處理能力乘以CPU的總數(shù)。然而，CPU的數(shù)量越多，意味著該系統(tǒng)的硬件規(guī)模越大，故障概率也就越高。當(dāng)CPU的總數(shù)超過一定數(shù)目時，這個計算機(jī)系統(tǒng)將會無法使用或無法實現(xiàn)。運(yùn)行速度達(dá)千萬億次/秒以上的高性能計算機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計時就會面臨著這樣一個嚴(yán)峻問題。

以楊學(xué)軍（1963-）院士為首的國防科大“天河”丁程團(tuán)隊，以實現(xiàn)運(yùn)算速度每秒千萬億次以上的高性能計算機(jī)系統(tǒng)為目標(biāo)，創(chuàng)造性地提出將圖形處理器（graphics processing unit，GPU）與CPU合理組合，構(gòu)成異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，并通過軟件為GPU和CPU分配相適應(yīng)的計算處理任務(wù)。原本為加速圖形處理而設(shè)計的GPU，雖然不像CPU那樣用于處理各種復(fù)雜計算任務(wù)，但對某類特殊的算法卻具有比CPU高出數(shù)十倍甚至上百倍的處理能力。2007年，“GPU+CPU”體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國際會議（International Symposium on Computer Architecture，ISCA）上發(fā)表，在學(xué)術(shù)界引起很大反響。然而，要將新的思想成功應(yīng)用于實踐，則需要付出異常艱辛的努力。2009年3月，當(dāng)異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)首次運(yùn)行使用時，GPU的實測性能僅為其理論峰值的20%左右。“天河”工程團(tuán)隊為解決此技術(shù)難題奮戰(zhàn)4個月，終于找到優(yōu)化GPU計算程序這一突破口，GPU計算效能最終達(dá)到其理論峰值的70%以上，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

“天河一號”高性能計算機(jī)的創(chuàng)新，還體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在同行看來，為“天河”系統(tǒng)設(shè)計研制高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既耗費(fèi)精力又難以成功，利用市售的國外商用網(wǎng)絡(luò)就可以簡單地實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各結(jié)點(diǎn)的高速互聯(lián)。但是，“天河”工程團(tuán)隊認(rèn)為，唯有創(chuàng)新才能形成自主、自控之優(yōu)勢。他們自主設(shè)計的高階路由芯片和高速網(wǎng)絡(luò)接口芯片令“天河一號”的接口帶寬高于同期市售國外高速互聯(lián)產(chǎn)品。

2013年6月，國防科大完成的“天河二號”一期T程采用比“天河一號”更高性能的CPU和GPU，并設(shè)計研制出更高性能的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?！疤旌佣枴币黄诠こ虒崪y速度達(dá)到每秒3.383億億次，比美國計算處理速度最快的高性能計算機(jī)“泰坦”（每秒1.759億億次）快了將近一倍。

然而，“天河二號”一期工程是以美國英特爾公司的處理器芯片為主，自主研制的處理器芯片為輔。2015年4月，美國商務(wù)部宣布禁止英特爾公司向中國出售高端處理器芯片，并將國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科大列入出口管制黑名單。美國的“芯片禁售令”，促使中國加快自主研制的步伐?！疤旌印惫こ虉F(tuán)隊正圍繞“天河二號”系統(tǒng)升級和新一代超級計算機(jī)研制進(jìn)行攻關(guān)，有望推出基于自主眾核加速器的“天河二號”升級系統(tǒng)，運(yùn)算速度將提升1倍，達(dá)到每秒10億億次，實現(xiàn)全部元器件國產(chǎn)化。由此可見，自主創(chuàng)新與科技強(qiáng)國是中國趕超并保持高性能計算機(jī)處于國際領(lǐng)先水平的必要前提。

國之重器，待千錘百煉?！疤旌印备咝阅苡嬎銠C(jī)集幾代人的艱辛努力和奮勇拼搏，終于攀上國際高性能計算機(jī)之首。但是，我們必須清醒地認(rèn)識到，未來中國高性能計算機(jī)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，只有確立創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，建立自主創(chuàng)新機(jī)制，提高核心技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，拓展、深化應(yīng)用領(lǐng)域，方能在愈加激烈的國際競爭中立于不敗之地。