“神威·太湖之光”問(wèn)鼎世界超算冠軍

▲2016年6月20日，“神威·太湖之光”取代“天河二號(hào)”成為全球最快超算（新華社李響攝）

想象一下，滴答一聲，就能計(jì)算十億億次，這是多快的運(yùn)算速度？

如果把200多萬(wàn)臺(tái)2016年生產(chǎn)的普通電腦加起來(lái)，只能跟它打個(gè)平手。它1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。

這個(gè)快到令人咋舌的超級(jí)計(jì)算高手就是我國(guó)自主研制的“神威·太湖之光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。6月20日，在德國(guó)法蘭克福舉行的國(guó)際超算大會(huì)上發(fā)布了全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單，“神威·太湖之光”以近三倍于第二名的運(yùn)算速度摘得桂冠。更令人振奮的是，它實(shí)現(xiàn)了包括處理器在內(nèi)的全部核心部件的國(guó)產(chǎn)化。

開(kāi)機(jī)一分鐘，地球人算32年

系統(tǒng)的峰值性能125.436PFlops，世界第一。

持續(xù)性能93.015PFlops，世界第一。

性能功耗比6051MFlops／W，還是世界第一。

國(guó)際超算大會(huì)上傳來(lái)的消息光看數(shù)據(jù)讓人不明就里。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這套系統(tǒng)1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年；如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個(gè)人臺(tái)式機(jī)作參照，‘太湖之光’相當(dāng)于200多萬(wàn)臺(tái)普通電腦?！眹?guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心主任楊廣文介紹。

走進(jìn)國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心，1000平方米的房間內(nèi)，擺放著“神威·太湖之光”的“真身”：由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成。每個(gè)運(yùn)算機(jī)柜比家用的雙門(mén)冰箱略大，打開(kāi)柜門(mén)，4塊由32塊運(yùn)算插件組成的超節(jié)點(diǎn)分布其中。每個(gè)插件由4個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板組成，一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板又含2塊“申威26010”高性能處理器。一臺(tái)機(jī)柜就有1024塊處理器，整臺(tái)“神威·太湖之光”共有40960塊處理器。

“每一塊處理器的計(jì)算能力與20多臺(tái)常用筆記本電腦相當(dāng)，4萬(wàn)多塊再組裝到一起，速度之快可想而知?！睏顝V文說(shuō)。

核心部件破封鎖，冠軍貨真價(jià)實(shí)

我國(guó)已經(jīng)步入信息時(shí)代數(shù)十年，但是從個(gè)人電腦到超級(jí)計(jì)算機(jī)，中國(guó)科研人員都有一種說(shuō)不出的痛——CPU基本依賴進(jìn)口。

2015年4月，美國(guó)政府宣布，把與超級(jí)計(jì)算機(jī)相關(guān)的4家中國(guó)機(jī)構(gòu)列入限制出口名單，目的是想限制中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。這直接導(dǎo)致采購(gòu)因特爾處理器的“天河二號(hào)”未能如期完成攻關(guān)目標(biāo)。

長(zhǎng)期受制于人的被動(dòng)與屈辱，使我國(guó)下決心研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“神威”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)。

2015年12月，“神威·太湖之光”在國(guó)家“863計(jì)劃”的重點(diǎn)支持下，由科技部、江蘇省和無(wú)錫市共同出資17.95億元，在國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制成功。

“在5厘米方寸之間，集成了260個(gè)運(yùn)算核心，數(shù)十億晶體管，達(dá)到了每秒3萬(wàn)多億次計(jì)算能力，相當(dāng)于3臺(tái)2000年全球排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)。”國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心副主任梁軍介紹，“神威·太湖之光”的核心處理器“申威26010”在國(guó)家“核高基”重大專項(xiàng)支持下，由國(guó)家高性能集成電路設(shè)計(jì)中心研制，具備片上融合的異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)，以及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指令集和完整的配套軟件生態(tài)系統(tǒng)。

采用這塊強(qiáng)大“中國(guó)芯”的“神威·太湖之光”不僅一舉突破封鎖，而且峰值性能、持續(xù)性能、性能功耗比三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均居世界第一，這也是全球第一臺(tái)運(yùn)行速度超過(guò)10億億次/秒的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能耗幾乎與一個(gè)小型城鎮(zhèn)相當(dāng)，因此能耗控制也至關(guān)重要。

步入“神威·太湖之光”所在的機(jī)房，除了空調(diào)聲，沒(méi)有其他任何噪音，讓人難以相信這里是世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的安居之地?！跋到y(tǒng)能效比高達(dá)每瓦特60.5億次，比‘天河二號(hào)’節(jié)能60%以上?！绷很娊榻B，這得益于低功耗、高集成度的處理器設(shè)計(jì)，獨(dú)創(chuàng)的高效水冷技術(shù)和高密度的組裝工藝，軟硬件協(xié)同、智能化的功耗控制方法，實(shí)現(xiàn)了層次化、全方位的綠色節(jié)能。

離世界之巔仍有差距

超級(jí)計(jì)算機(jī)被稱為“國(guó)之利器”，是國(guó)家科技綜合實(shí)力的體現(xiàn)，從高端材料到生命科學(xué)和生物技術(shù)，再到深海探測(cè)、空間技術(shù)各領(lǐng)域，都離不開(kāi)超算的支撐。這次好消息一出，有人認(rèn)為中國(guó)超算從此“穩(wěn)穩(wěn)地”屹立世界之巔了。真的是這樣嗎？

楊廣文表示，不可否認(rèn)，“神威·太湖之光”的成功標(biāo)志著我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制能力已位居世界領(lǐng)先水平，但在技術(shù)儲(chǔ)備、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有明顯差距。

速度是超算領(lǐng)域最直接的對(duì)決。與“天河二號(hào)”榮獲“六連冠”的輝煌相比，此次登頂?shù)摹吧裢ぬ狻币腴L(zhǎng)期占據(jù)世界第一變得異常艱難。去年7月，美國(guó)啟動(dòng)“國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”，目標(biāo)是到2025年建造世界上運(yùn)算最快的計(jì)算機(jī)。

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算天：風(fēng)中哪朵雨做的云？

氣象臺(tái)的天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度一直在提升，這背后其實(shí)都是超級(jí)計(jì)算機(jī)的功勞。

北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院教授王蘭寧介紹：“下不下雨關(guān)鍵看云層運(yùn)動(dòng)，在沒(méi)有超算之前，觀測(cè)云層的精度是按照經(jīng)緯度。有了超算之后，就可對(duì)云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬與觀測(cè)。”

為了提高觀測(cè)進(jìn)度，他十幾年來(lái)追逐著超算發(fā)展的腳步。

2011年，他在天津的“天河一號(hào)”上實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)精度10萬(wàn)公里的目標(biāo)。隨后，他又在“神威藍(lán)光”上實(shí)現(xiàn)了1萬(wàn)公里精度。今年，他在“神威·太湖之光”上實(shí)現(xiàn)了9公里精度。如今，他又在向著3公里精度努力。

“如果能盯著每一朵云，天氣預(yù)報(bào)就將萬(wàn)無(wú)一失?！蓖跆m寧說(shuō)，當(dāng)然，這還需要更強(qiáng)的超算能力支撐。

算地：既能找飛機(jī)，也能抓偷排

尋找MH370是世界科技角力的戰(zhàn)場(chǎng)。大量的衛(wèi)星雷達(dá)集中對(duì)準(zhǔn)南印度洋，當(dāng)這些高科技眼睛采集到信息后，一個(gè)必經(jīng)的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理，擔(dān)當(dāng)這一環(huán)節(jié)的角色即是超級(jí)計(jì)算機(jī)?！爸灰凶銐蚓_的相關(guān)數(shù)據(jù)，超算就能找到失事飛機(jī)?！鼻迦A大學(xué)副教授黃小猛說(shuō)。

除了找飛機(jī)，還有更多接地氣的事情倚仗超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)解決。

建一棟樓對(duì)周邊的環(huán)境到底有什么影響？如何建設(shè)風(fēng)道便于污染物擴(kuò)散？中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心進(jìn)行的一項(xiàng)課題，就是深圳市污染物擴(kuò)散的模擬。通過(guò)超算模擬，可以根據(jù)目前污染物的情況，計(jì)算出未來(lái)一段時(shí)間的大氣污染物濃度和分布，進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。從預(yù)報(bào)結(jié)果還可以計(jì)算出哪些污染源“貢獻(xiàn)”最大，了解污染的來(lái)龍去脈，為污染防控提供決策指導(dǎo)。

算人：醫(yī)療應(yīng)用前景廣

近期，美國(guó)科學(xué)家利用世界前十的超級(jí)計(jì)算機(jī)，選取一名真人掃描其血管系統(tǒng)，通過(guò)3D建模技術(shù)建立動(dòng)脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)了整個(gè)人體的動(dòng)脈系統(tǒng)。任何直徑或?qū)挾仍?毫米以上的動(dòng)脈血管都會(huì)出現(xiàn)在模型中，而且模型的分辨率達(dá)到了9微米。

只要運(yùn)算核夠多、速度夠快，醫(yī)療工作者的診斷和治療水平將大大提升。

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳榮亮近日也在利用“神威·太湖之光”對(duì)人體血流進(jìn)行模擬與分析，例如可以及時(shí)有效地判定一個(gè)病人是否會(huì)發(fā)生腦梗塞?！斑^(guò)去，對(duì)一個(gè)可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進(jìn)行支架手術(shù)，一般都會(huì)通過(guò)從大腿動(dòng)脈處放進(jìn)測(cè)壓導(dǎo)絲進(jìn)行測(cè)量。如今，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)如果小于0.8，就要做手術(shù)?！标悩s亮說(shuō)。

▲“神威·太湖之光”使用的是中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片（新華社李響攝）

“未來(lái)五到十年，從每秒十億億次到每秒百億億次是超算發(fā)展的決勝之地。”國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心的相關(guān)科研人員表示，雖然超算大國(guó)都在進(jìn)行部署，但其中需要解決的技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常多，更為關(guān)鍵的是，無(wú)論速度有多快，發(fā)展超算始終是為了“致用”，而這仍然是當(dāng)前我國(guó)超算發(fā)展的短板。

中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心研究員張鑒表示，我國(guó)利用超算系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力長(zhǎng)期不足，相關(guān)商業(yè)應(yīng)用軟件仍為國(guó)外壟斷，在軟件研制、應(yīng)用開(kāi)發(fā)和人才培養(yǎng)方面還有待進(jìn)一步提高。將“制好”優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為“用好”優(yōu)勢(shì)，才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級(jí)的帶動(dòng)。（本刊綜合）※