“神威·太湖之光”：全球最快的計(jì)算機(jī)

夏斌

3天后，降雨云層將移動(dòng)到哪里？海嘯預(yù)警能否第一時(shí)間發(fā)送出去？如何建設(shè)風(fēng)道以便污染物擴(kuò)散？借助超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算和模型處理能力，這些問題都有望得到解決。

日前，德國(guó)法蘭克福國(guó)際超算大會(huì)公布新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單，來自中國(guó)的“神威·太湖之光”榮登榜首。這臺(tái)全球最快的計(jì)算機(jī)，到底有哪些過人之處？它可以在我們平時(shí)生活的哪些方面大顯身手？

三招“必殺技”

在國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心，“神威·太湖之光”的機(jī)身安放在一間約1000平方米的房間內(nèi)。它由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成，里面放有40960塊高性能處理器；其峰值運(yùn)算速度為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒，雙雙位列全球第一。

“簡(jiǎn)單來說，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，它相當(dāng)于200多萬臺(tái)普通電腦?！眹?guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心主任楊廣文做了一個(gè)形象的比較。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所研究員張?jiān)迫榻B，“神威·太湖之光”之所以如此厲害，關(guān)鍵在于具備三招“必殺技能”：

第一招——速度較量，唯快不破?！吧裢ぬ狻钡倪\(yùn)算速度是此前的世界冠軍“天河二號(hào)”的3倍。在超級(jí)計(jì)算機(jī)基準(zhǔn)程序測(cè)試中，“神威·太湖之光”僅用4小時(shí)就完成了“天河二號(hào)”20多個(gè)小時(shí)才能完成的運(yùn)算任務(wù)。

第二招——最強(qiáng)大腦，中國(guó)芯。超級(jí)計(jì)算機(jī)主要依靠提高并行度和設(shè)備規(guī)模來提升計(jì)算速度?！吧裢ぬ狻睋碛谐^1000萬個(gè)處理器核，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“天河二號(hào)”的300多萬個(gè)。更令人振奮的是，“神威·太湖之光”是完全采用中國(guó)芯——“申威26010”，制造出來的最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！吧晖?6010”是一個(gè)只有5厘米見方的高性能處理器，卻集成了260個(gè)運(yùn)算核心、數(shù)十億晶體管，其單芯片計(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)。

第三招——綠色節(jié)能，又快又省?！吧裢ぬ狻钡墓谋冗_(dá)到每瓦60.51億次，在運(yùn)行速度和持續(xù)計(jì)算能力大幅提升的同時(shí)，功耗不升反降。

“算天算地算人”

以美國(guó)為例，超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用大致可分為幾類：一類是與國(guó)家安全密切相關(guān)的使命性應(yīng)用，如美國(guó)能源部各國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事的核武器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)和安全儲(chǔ)存的研究，需要超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行全物理、全系統(tǒng)、真三維的數(shù)值模擬；一類是應(yīng)對(duì)環(huán)境、健康等重大挑戰(zhàn)，如聚變能源、全球氣候變化、新材料設(shè)計(jì)、新藥創(chuàng)制等；還有一類是以計(jì)算促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)研究和重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如在宇宙起源、腦功能、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)等方面的應(yīng)用。

“超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用可以簡(jiǎn)單概括為三個(gè)詞：算天、算地、算人?！敝袊?guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳榮亮表示。不論是在石油勘探、生物信息、新藥創(chuàng)新、材料化工，還是環(huán)境科學(xué)、船舶工程、航空航天設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)都可以發(fā)揮作用。同時(shí)，基于人工智能技術(shù)發(fā)展，大數(shù)據(jù)、金融計(jì)算等將成為超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

目前，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心進(jìn)行一項(xiàng)課題——深圳市污染物擴(kuò)散模擬。通過超算模擬，可以根據(jù)目前污染物的情況，計(jì)算出未來一段時(shí)間的大氣污染物濃度和分布，從而精準(zhǔn)進(jìn)行區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

“現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)倒推排查究竟是哪個(gè)排放點(diǎn)導(dǎo)致了某次大氣污染，未來將能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)小區(qū)、每個(gè)居民點(diǎn)空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)?！标悩s亮說。

而在醫(yī)療領(lǐng)域，超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠通過掃描真人的血管系統(tǒng)，運(yùn)用3D建模技術(shù)建立動(dòng)脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)人體動(dòng)脈系統(tǒng)。陳榮亮日前使用“神威·太湖之光”對(duì)人體血流進(jìn)行了模擬與分析。

“過去，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)通過從大腿動(dòng)脈處放進(jìn)測(cè)壓導(dǎo)絲進(jìn)行測(cè)量。這種方式既危險(xiǎn)又痛苦。如今，經(jīng)過模擬計(jì)算，只要血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)小于0.8，就可以做手術(shù)?！标悩s亮說。

英國(guó)《柳葉刀》雜志還進(jìn)一步推測(cè)，通過超級(jí)計(jì)算機(jī)的大量運(yùn)算，可以有效模擬人體器官對(duì)各類藥物的反應(yīng)。這樣做能夠大大縮短新藥物的研發(fā)時(shí)間，讓各類新藥物盡快為患者服務(wù)。

此外，法國(guó)石油巨頭道達(dá)爾早在2013年，就啟用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行石油資源勘探。借助其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，道達(dá)爾可以更加精確地判斷石油蘊(yùn)藏的規(guī)模及開采幾率。美國(guó)波音等航空制造企業(yè)，也開始大量使用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行包括發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)等的輔助設(shè)計(jì)。而在好萊塢，眾多電影制作公司也嘗試使用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行電影后期特效處理，《阿凡達(dá)》《2012》等影片的強(qiáng)大特效就利用到了各種類型的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

目的是造福人類

在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，還有中國(guó)的“天河二號(hào)”、美國(guó)的“泰坦”與“紅杉”、日本的“京”、瑞士的“代恩特峰”、德國(guó)的“花尾榛雞”等。在運(yùn)算速度上，“神威·太湖之光”接近“泰坦”的5倍，超過排名第二到第五的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度總和。

但要真正從“超算大國(guó)”發(fā)展為“超算強(qiáng)國(guó)”，我們還面臨核心技術(shù)、軟件配套及應(yīng)用前景拓展等多方面的障礙。

核心技術(shù)上，雖然我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展取得了很大成果，但其中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)還比較多。以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達(dá)到15兆瓦時(shí)，相當(dāng)于3個(gè)清華大學(xué)的用電量。倘若要進(jìn)一步使運(yùn)行速度提升至百億億次，相關(guān)能源消耗恐怕非常驚人。

軟件配套上，存在“重硬件、輕軟件”的傾向，導(dǎo)致目前相關(guān)商業(yè)應(yīng)用軟件主要為國(guó)外所壟斷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)經(jīng)費(fèi)中用于開發(fā)應(yīng)用軟件的不足10%，而在美國(guó)這一比例為30%以上?！皬哪撤N程度上說，超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用比計(jì)算機(jī)本身更重要。因?yàn)闆]有軟件，計(jì)算機(jī)就是個(gè)空殼?！标悩s亮透露，我們正在逐步加大軟件的研發(fā)，但相關(guān)人才還比較匱乏。

應(yīng)用前景拓展上，超級(jí)計(jì)算機(jī)投入商用還面臨一個(gè)市場(chǎng)信任的問題。2014年4月“天河二號(hào)”試運(yùn)行對(duì)外開放期間，只有120家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)選擇試用，許多商用飛機(jī)公司寧可使用過時(shí)的計(jì)算平臺(tái)也不愿意采納這一新系統(tǒng)。

另外，如何打造便攜式超級(jí)計(jì)算機(jī)，并推進(jìn)與人工智能技術(shù)融合，是超級(jí)計(jì)算機(jī)商用化、終端化不可回避的問題。

“超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展根本動(dòng)力來自于需求，超級(jí)計(jì)算機(jī)的最終目的應(yīng)該是造福人類。在這一基本認(rèn)知下，中國(guó)發(fā)展超算應(yīng)該從需求出發(fā)，解決最迫切的應(yīng)用問題?！?63重點(diǎn)專項(xiàng)專家組組長(zhǎng)錢德沛強(qiáng)調(diào)，我們要有爭(zhēng)第一的意識(shí)，但不要太在意，還是要從應(yīng)用出發(fā)。

未來，我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)在四個(gè)方向發(fā)揮作用：首先是全球高分辨率模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎(chǔ)；其次是先進(jìn)制造，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)將助力“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)向“中國(guó)創(chuàng)造”；第三個(gè)方向是生命科學(xué)，為研發(fā)新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個(gè)方向是大數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用需求和算法的發(fā)展，將不斷推動(dòng)超級(jí)計(jì)算機(jī)跑得更快、更強(qiáng)。