決戰(zhàn)時機

隨著21世紀之門向人類徐徐開啟，超級計算機“并行計算時代”開始遭遇“寒流”。這股“寒流”的顯著標志，就是單芯片性能提升受到制備工藝限制而大大放緩。也就是說，科學(xué)家們提高超級計算機系統(tǒng)的整體性能，只能依賴于加大系統(tǒng)規(guī)模。這樣一來，系統(tǒng)性能在突破每秒千萬億次后，就會出現(xiàn)一系列難以逾越的“高墻”：

比如體積，它將有幾個足球場那么大。

比如功耗，需要建一個專用的發(fā)電站，才能滿足它的功耗。

這一個個難以攻克的技術(shù)瓶頸，標志著超級計算機純粹CPU超大規(guī)模并行計算技術(shù)路線已走進“死胡同”，而需要新的體系結(jié)構(gòu)理論來支撐。

這意味著在高性能計算機新的技術(shù)高峰面前，中國等發(fā)展中國家的超級計算機發(fā)展，和美、日等發(fā)達國家都處于同一起跑線，我國在超級計算機領(lǐng)域決戰(zhàn)決勝、沖擊“珠峰”的時機已經(jīng)來臨！

為超級計算機技術(shù)“破冰”的東風(fēng)是什么？

超級計算機發(fā)展之路在何方？

在超級計算機技術(shù)發(fā)展的十字路口，有人在期待，有人在徘徊，有人在觀望，更多的人在躬身探索。

國防科技大學(xué)計算機學(xué)院大樓旁的銀河廣場上，一名身材魁梧、濃眉大眼、氣宇軒昂的中年軍人，時而慢慢踱步，時而駐足沉思，時而抬頭仰望一眼廣袤的太空。

他就是銀河系列超級計算機總設(shè)計師楊學(xué)軍教授。

楊學(xué)軍手上夾著香煙，一口接一口地抽著，一支接一支地點著。他的思緒，隨著緩緩?fù)鲁龅臒熿F，裊裊地飄向太空，飄向世界，飄向深邃的歷史……

什么樣的體系結(jié)構(gòu)可以破除超大規(guī)模并行超級計算機面臨的“高大難”（功耗高、體積大、技術(shù)實現(xiàn)難）窘境呢？

這個大大的問號，拽著楊學(xué)軍及其團隊成員的思緒快速且不停歇地運轉(zhuǎn)起來。為此，身兼行政領(lǐng)導(dǎo)、型號總師的楊學(xué)軍，無論工作有多忙，每周都要抽出兩天時間與大家交流討論學(xué)術(shù)問題，而且常常因此錯過吃飯時間。這時他就自掏腰包給大家改善伙食，在飯桌上邊吃邊繼續(xù)討論課題，經(jīng)常有意想不到的收獲。

平時，楊學(xué)軍和團隊成員身上都帶著兩塊手機電池。一旦有新發(fā)現(xiàn)，就打電話交流討論，常常一打就是一兩個小時，打到兩塊電池都沒電，打得手機燙耳朵。

他們終于發(fā)現(xiàn)了可用于科學(xué)與工程計算的64位流處理器，并成功應(yīng)用于大規(guī)模并行系統(tǒng)的構(gòu)建。這一研究成果，是名副其實的世界首創(chuàng)！

2007年6月，楊學(xué)軍帶領(lǐng)團隊完成的流處理器研究論文《64位流處理器體系結(jié)構(gòu)研究》，發(fā)表在國際計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)年會（ISCA）上，并被國際權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems》錄取。該論文介紹了國防科技大學(xué)自主設(shè)計的面向科學(xué)計算的64位流處理器和其編程方法。這是國際計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)年會（ISCA）錄取的第一篇來自中國研究機構(gòu)、由中國學(xué)者獨立完成的學(xué)術(shù)論文，也是計算機發(fā)展史上第一個由中國人提出的體系結(jié)構(gòu)理論。

論文發(fā)表后，在國內(nèi)外計算機領(lǐng)域引起轟動。

CPU與64位流處理器異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，為世界超級計算機技術(shù)突破“冰封期”提供了嶄新的思路。

楊學(xué)軍的《64位流處理器體系結(jié)構(gòu)研究》發(fā)表一年后，即2008年6月18日，美國突然宣布：IBM公司采用異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)技術(shù)成功研制出一臺峰值速度每秒1.37578千萬億次的超級計算機，并將其命名為“走鵑”。美國在異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域捷足先登，打響了新一輪決戰(zhàn)的第一槍，世界強國在超級計算機領(lǐng)域新的較量正式拉開序幕！

21世紀的中國，別無選擇，唯有接招，準備決戰(zhàn)！

進攻目標鎖定后，攻擊路線就是關(guān)鍵。

兩年前，楊學(xué)軍帶領(lǐng)大伙探討64位流處理器Imagine時，他的腦海里就同時思考著另一種與之有著異曲同工之妙的電子芯片——GPU的科學(xué)計算問題。也就是說，研制每秒千萬億次超級計算機可走既定的CPU+64位流處理器Imagine異構(gòu)融合技術(shù)路線、也可嘗試CPU（通用微處理器）+GPU（專用微處理器）異構(gòu)融合技術(shù)路線。

對于前者，團隊已攻關(guān)多年，有著比較雄厚的技術(shù)積累，成功可能性比較大。而對后者，當(dāng)時國際上公認GPU最高計算效能僅為20%，根本不可能用于研制超級計算機。

但使用GPU構(gòu)建超級計算機的優(yōu)勢顯而易見：它運算速度快，比CPU高出6倍，能有效縮小機器空間；它能耗低，僅有CPU的五分之一，可有效解決超級計算機高能耗短板；它在市場上流通的品種很多，可供選擇性大，而且技術(shù)成熟；它價格便宜，可有效提高機器的性價比，讓用戶用得起……

而將GPU用于超級計算機研制的劣勢，同樣不容忽視：它能否用于高性能計算機，還是個未知數(shù)，探索之路將非常艱難，而且風(fēng)險很大。

以楊學(xué)軍為總設(shè)計師的總師組，經(jīng)過深入技術(shù)調(diào)研、反復(fù)權(quán)衡利弊，決定大膽嘗試CPU+GPU異構(gòu)融合技術(shù)之路。

從每秒10萬億次直接沖刺每秒1000萬億次，走別人沒有走過的CPU+GPU技術(shù)路線，他們的這一超常決策，在業(yè)內(nèi)引起一片嘩然。

“研制超級計算機一般都以10倍速度逐步遞增，這已成為國際慣例。從每秒10萬億次直接向每秒1000萬億次跨越，這一步是不是邁得大了點？能跨過去嗎？”

“就是把機器做出來了，應(yīng)用水平能跟上嗎？”

“GPU能否用于高性能計算還是個謎，用它研制超級計算機，這是不是太冒險了？”

……

面對沸沸揚揚的疑問，楊學(xué)軍率領(lǐng)的總師組認為，兩步并作一步走的事，雖然國際上少有，但對銀河人來說卻并不是什么新鮮事。當(dāng)年慈云桂帶領(lǐng)大家研制“遠望一號”遠洋測量船中心計算機時，不也是從每秒萬次直接向每秒100萬次沖刺的嘛。當(dāng)今世界，超級計算機每10年性能提升1000倍，在此情況下，若按照所謂“慣例”，按部就班、亦步亦趨，只能永遠處于“跟班”“借鑒”“仰人鼻息”的被動局面。只有從荊棘叢中、險關(guān)狹隘另辟蹊徑，才能殺出重圍，率先“登頂”。至于用于圖像處理的GPU能否用于科學(xué)計算，楊學(xué)軍堅定地認為，憑著團隊數(shù)十年超級計算機教學(xué)科研積淀的厚實底蘊，和對64位流處理器研究取得的創(chuàng)新成果、技術(shù)基礎(chǔ)，定能觸類旁通，攻克GPU計算效能這一世界難題。

國防科技大學(xué)黨委積極支持他們的跨越壯舉，向創(chuàng)新團隊發(fā)出了“我們的胸懷有多寬，我們的事業(yè)就有多大”的動員令，鼓勵大家確立決戰(zhàn)決心，堅定決勝信心。

帶著國家重托、民族期望，國防科技大學(xué)超級計算機創(chuàng)新“航母編隊”，浩浩蕩蕩向著新的技術(shù)彼岸進發(fā)！