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    中國第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)“銀河- I”研制歷程及啟示

    2017-03-08 08:44:43司宏偉馮立昇
    自然科學(xué)史研究 2017年4期
    關(guān)鍵詞:國防科技大學(xué)銀河研制

    司宏偉 馮立昇

    (內(nèi)蒙古師范大學(xué)科技史研究院,呼和浩特 010022;清華大學(xué)科技史暨古文獻(xiàn)研究所,北京 100084)

    中國第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)是國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所自行研制的“銀河- I”(圖1)。銀河- I研制始于1978年5月,1983年12月6日通過國家鑒定,該機(jī)榮獲“特等國防科技成果獎(jiǎng)”,研制單位榮立集體一等功。1984年10月1日,該機(jī)模型在北京天安門前參加了“建國35周年”國慶檢閱,引起社會(huì)廣泛關(guān)注。

    銀河- I是跟蹤世界先進(jìn)主流巨型計(jì)算機(jī)技術(shù),以向量運(yùn)算為主,字長64位,運(yùn)算速度為每秒1億次以上的通用電子計(jì)算機(jī)。它的問世使中國成為世界上少數(shù)幾個(gè)成功研制巨型計(jì)算機(jī)的國家之一,在國防建設(shè)事業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重大作用。

    圖1 銀河- I億次巨型計(jì)算機(jī)真機(jī)陳列

    由于銀河- I是國防重大項(xiàng)目,技術(shù)資料長期保密,國內(nèi)外科技史研究不多。國防科技大學(xué)原人文與社會(huì)科學(xué)學(xué)院曾組織力量主要從科技哲學(xué)的角度對(duì)銀河系列巨型計(jì)算機(jī)工程的整體特征、工程組織、管理創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)建設(shè)、科學(xué)精神等進(jìn)行過一些研究。*參見文獻(xiàn)[3]、[4]、[7]、[14]、[33]。

    本文將從技術(shù)史的角度,通過發(fā)掘研制單位一批原始檔案資料,訪談?dòng)嘘P(guān)親歷者,還原銀河- I的研制歷程,分析銀河- I的技術(shù)創(chuàng)新,總結(jié)銀河- I的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),并將中國和美國各自的第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)性能與指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究,以期對(duì)當(dāng)前我國探索軍民深度融合的科技創(chuàng)新路徑和高校自主創(chuàng)新科技成果轉(zhuǎn)化提供一定的借鑒。

    1 銀河- I的研制過程

    銀河- I是我國大科學(xué)工程任務(wù),它的研制起因、經(jīng)過和成果始終以國家和軍隊(duì)重大戰(zhàn)略為中心。

    1.1 研制起因

    20世紀(jì)60年代,中國依靠自己的力量研制成功“兩彈一星”,大大提高了國防實(shí)力和國際地位。但當(dāng)時(shí)中國的尖端科技也遇到了明顯發(fā)展瓶頸,有些重要理論研究和模擬實(shí)驗(yàn),尤其是第二代核武器的發(fā)展、核動(dòng)力裝置的研究、航空航天飛行器的設(shè)計(jì)、軍事情報(bào)分析和衛(wèi)星圖片判讀等,需要解決大量的計(jì)算問題才有可能取得新的突破,因此迫切需要運(yùn)算速度極高的計(jì)算機(jī);而中長期天氣預(yù)報(bào)和氣象設(shè)計(jì)分析、石油地震處理、油藏工程與能源開發(fā)、大型圖像處理、遺傳工程等也都需要巨型計(jì)算機(jī)??梢哉f,沒有巨型機(jī)就沒有第二代尖端武器,就不能進(jìn)行準(zhǔn)確的中長期天氣預(yù)報(bào)、有效的能源開發(fā)和石油勘探等。所以,研制巨型計(jì)算機(jī)對(duì)加強(qiáng)中國的國防實(shí)力、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步等,都有十分重要的意義。而高性能的巨型計(jì)算機(jī),西方國家對(duì)中國實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖,自主研究和開發(fā)是唯一的出路。

    1972年秋,國防科委根據(jù)發(fā)展第二代戰(zhàn)略武器、增強(qiáng)國防實(shí)力的迫切需要,責(zé)令長沙工學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所(國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所的前身)負(fù)責(zé)人慈云桂教授,向中央專門委員會(huì)起草報(bào)告,建議將巨型計(jì)算機(jī)研制列入國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目。[1]

    圖2 銀河- I億次巨型計(jì)算機(jī)總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院學(xué)部委員慈云桂

    慈云桂(1917~1990)是我國、我軍知名的計(jì)算機(jī)專家和開拓者之一,1917年4月5日出生于安徽省桐城縣麒麟鎮(zhèn)楊樹灣村(今安徽省樅陽縣楊樹灣鎮(zhèn)),1943年畢業(yè)于湖南大學(xué)機(jī)電系,后考入清華大學(xué)無線電研究所讀研究生,畢業(yè)后留校任清華大學(xué)物理系助教、講師,1954年調(diào)任哈爾濱軍事工程學(xué)院(國防科技大學(xué)前身)海軍系雷達(dá)教研室主任,1966年任哈軍工電子計(jì)算機(jī)系主任,1970年起任長沙工學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所負(fù)責(zé)人(圖2)。長期從事我國電子計(jì)算機(jī)的研制工作,曾主持研制成功我國第一臺(tái)電子管專用數(shù)字計(jì)算機(jī)——901機(jī)、我國第一臺(tái)全晶體管化通用計(jì)算機(jī)——441B機(jī)和我國第一臺(tái)百萬次級(jí)集成電路計(jì)算機(jī)——151- 3/4型機(jī)。[2]

    由于國防軍工的需要,巨型機(jī)研制項(xiàng)目一直得到黨政軍高層領(lǐng)導(dǎo)重視,特別是鄧小平1973年3月復(fù)出后,巨型機(jī)相關(guān)工作受“文革”干擾相對(duì)較少。同時(shí),151百萬次機(jī)的研制成功為巨型機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。慈云桂的建議很快獲準(zhǔn),長沙工學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所便開始巨型計(jì)算機(jī)的預(yù)研和技術(shù)儲(chǔ)備工作。首先對(duì)主要用戶進(jìn)行了多次的調(diào)研,了解了他們的主要應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)學(xué)模型的范圍、常用算法、精度、速度和容量要求等。同時(shí)廣泛深入搜集國內(nèi)外關(guān)于巨型計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能評(píng)價(jià)、并行算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件工程等方面的書刊和論述,并在此基礎(chǔ)上開展了各種方案的探索與論證,以及邏輯模擬與系統(tǒng)模擬等研究工作。

    1975年10月,時(shí)任國防科委主任的張愛萍指示,組織國內(nèi)計(jì)算機(jī)知名單位進(jìn)行全國調(diào)研,慈云桂任調(diào)研組組長,調(diào)研側(cè)重于巨型機(jī)需求、國內(nèi)元器件和外部設(shè)備的生產(chǎn)狀況和水平等。[3]但這時(shí)由于“四人幫”的干擾,1976年4月鄧小平再次被打倒,此項(xiàng)工作被迫中途停頓?!拔母铩焙蟮?977年9月,張愛萍再次指示慈云桂,抽調(diào)技術(shù)骨干為研制巨型機(jī)進(jìn)行調(diào)研,之后形成報(bào)告上報(bào)國防科委。同年11月14日,國防科委向中央呈報(bào)《關(guān)于研制巨型電子計(jì)算機(jī)事》的請(qǐng)示報(bào)告,同月26日黨中央批準(zhǔn)了此報(bào)告。[4]當(dāng)時(shí),也有中國科學(xué)院和電子工業(yè)部有關(guān)單位希望承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。1978年3月,時(shí)任中央軍委副主席兼總參謀長的鄧小平*此處《國防科大計(jì)算機(jī)系兼研究所史(1956~1993)》記載“1978年3月,中央軍委鄧小平主席……”([1],117頁)有誤,經(jīng)查閱原始檔案[5]和核實(shí)鄧小平同志生平,1981年6月中共十一屆六中全會(huì)上,鄧小平才當(dāng)選中央軍委主席,1978年3月,他時(shí)任中央軍委副主席兼總參謀長,當(dāng)時(shí)的中央軍委主席為華國鋒。在中央部署巨型計(jì)算機(jī)研制會(huì)上說:“一億次機(jī)只能搞一臺(tái),一億次的就由長沙工學(xué)院搞算了,要在國家科委領(lǐng)導(dǎo)之下來搞。論證的時(shí)候,可以多請(qǐng)一些人來參加。什么時(shí)候完成,長沙工學(xué)院要簽字。有些器件可以購買,主要是為了搶時(shí)間。我們科學(xué)院就搞千萬次的。一億次的,國家科委要牽頭?!盵5]

    會(huì)后,張愛萍一方面?zhèn)鬟_(dá)中央精神,一方面組織從上到下的領(lǐng)導(dǎo)班子和各方面技術(shù)力量投入巨型計(jì)算機(jī)的研制工作。任務(wù)確定:用六年左右的時(shí)間,花兩億元左右的經(jīng)費(fèi),研制一臺(tái)每秒運(yùn)算一億次的巨型計(jì)算機(jī)。([1],117頁)

    1.2 研制經(jīng)過

    從1978年5月至1983年12月,銀河- I的研制工作重點(diǎn)大致可以分為6個(gè)階段。[6]

    1.2.1 總體方案論證和工程準(zhǔn)備階段(1978年5月~12月)

    1978年5月,國防科委在北京召開巨型機(jī)方案論證和協(xié)作會(huì)議,確定該機(jī)代號(hào)為“785工程”。會(huì)上通過一個(gè)分兩期完成的雙處理機(jī)方案,并確定引進(jìn)一些元器件,由國內(nèi)協(xié)作研制外圍機(jī)和外部設(shè)備。1978年7月,國防科委在長沙召開了785工程軟件協(xié)作會(huì),落實(shí)了協(xié)作任務(wù)和各單位分工,并提出了785億次機(jī)和美國有關(guān)巨型機(jī)指令級(jí)兼容的建議。之后根據(jù)專家和用戶的建議,又對(duì)國內(nèi)外巨型機(jī)研制使用情況進(jìn)行了深入調(diào)查,經(jīng)過多方調(diào)研和論證,對(duì)巨型機(jī)總體方案進(jìn)行了修改,形成了巨型機(jī)的總體方案。鑒于在國內(nèi)籌辦外圍機(jī)和外部設(shè)備尚有困難,確定由國外引進(jìn)。

    方案確立的指導(dǎo)思想是立意新、起點(diǎn)高、追蹤世界計(jì)算機(jī)的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)確定的總體技術(shù)指標(biāo)是:中央處理機(jī)運(yùn)算速度在高效時(shí)每秒1億次以上,存儲(chǔ)器容量200萬字,字長64位,平均故障時(shí)間24小時(shí)以上,可用性不低于90%。外圍機(jī)字長16位,定點(diǎn)運(yùn)算速度每秒50~100萬次,存儲(chǔ)容量512KB。

    國防科技大學(xué)成立“785工程”領(lǐng)導(dǎo)小組,時(shí)年60歲的慈云桂擔(dān)任總設(shè)計(jì)師。他立下“我就是豁出老命,也要把中國的億次巨型機(jī)搞出來”的誓言*司宏偉在“紀(jì)念慈云桂教授誕辰一百周年座談會(huì)”期間對(duì)慈云桂長子慈林林的訪談,2017年4月14日,長沙。,率領(lǐng)研制隊(duì)伍,技術(shù)上開始瞄準(zhǔn)美國德克薩斯儀器公司1972年研制的向量巨型機(jī)TI- ASC和CDC公司1973年推出的向量超級(jí)計(jì)算機(jī)STAR- 100。但當(dāng)他到北京調(diào)研時(shí),看到一套美國克雷研究公司1976年最新研制成功的“克雷- 1”巨型計(jì)算機(jī)(CRAY- 1)新聞報(bào)道和廣告宣傳資料*此處《國防科大計(jì)算機(jī)系兼研究所史(1956~1993)》記載“但當(dāng)看到新聞報(bào)道美國Cray- 1簡介后”([1],118頁)不準(zhǔn)確,經(jīng)查閱原始檔案[18]和采訪親歷者,當(dāng)時(shí)慈云桂看到的不僅是克雷- 1的新聞報(bào)道,還有幾張印有克雷- 1指令系統(tǒng)和粗略結(jié)構(gòu)介紹的廣告資料,從而給他很大啟發(fā)。后,與研制團(tuán)隊(duì)成員一起分析研究認(rèn)為,“克雷- 1的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)的手段更為先進(jìn),有獨(dú)到之處”。慈云桂馬上組織人員從國防科委情報(bào)所、中科院計(jì)算技術(shù)研究所等處收集更詳細(xì)的資料,好不容易獲取一份克雷- 1的用戶公開參考手冊,較詳細(xì)地介紹了克雷- 1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖3)。他據(jù)此決定:“舍去苦苦奮斗8個(gè)月之久已完成的總體方案,將瞄準(zhǔn)點(diǎn)移過來,設(shè)計(jì)出符合中國國情,與國際主流機(jī)兼容的億次機(jī)總體方案。”([1],118頁)

    圖3 慈云桂(左三)與團(tuán)隊(duì)核心成員確定巨型機(jī)總體方案

    當(dāng)時(shí)在研究巨型機(jī)體系結(jié)構(gòu)時(shí)提出了兩個(gè)方案,以解決在元器件水平受限的條件下做成巨型機(jī)的難題。一個(gè)方案是雙向量(及浮點(diǎn))陣列部件,另一個(gè)是共享主存的雙中央處理機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)研究,最終決定采用雙向量陣列的方案。[7]

    對(duì)于這個(gè)決策,經(jīng)過查閱和分析原始檔案[8- 9],筆者認(rèn)為主要原因有二:一是銀河機(jī)主要服務(wù)對(duì)象是核工業(yè)部等單位,計(jì)算的主要課題是必須用億次級(jí)以上的巨型機(jī)才能解決的大型算題,據(jù)調(diào)查,這些課題75%以上是屬于向量運(yùn)算,采用雙向量陣列的方案非常適合于這類大型科學(xué)計(jì)算,同時(shí),多功能部件、全流水化、并行運(yùn)算和分布式結(jié)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)會(huì)有很好的應(yīng)用;二是如果采用雙中央處理機(jī)系統(tǒng),就必須開發(fā)并行處理系統(tǒng),而這在當(dāng)時(shí)是世界上的前沿技術(shù),無論在技術(shù)力量方面還是任務(wù)時(shí)限方面,都存在很大困難,難以實(shí)現(xiàn)。

    1.2.2 實(shí)驗(yàn)、邏輯設(shè)計(jì)、插件工程化和模型機(jī)研制階段(1978年10月~1980年3月)

    巨型機(jī)總體方案確定后便開始研制工作。為了使設(shè)計(jì)理論更符合高速度與高質(zhì)量的指標(biāo),研制人員進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn),提出設(shè)計(jì)方案,確定邏輯設(shè)計(jì)原則、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝,并通過研制模型機(jī)檢驗(yàn)其可行性與有效性,為研制整機(jī)系統(tǒng)奠定了可靠的基礎(chǔ)。

    1980年初完成了模型機(jī)的研制。同年3月,國防科委在長沙召開了785模型機(jī)研制情況匯報(bào)會(huì)。模型機(jī)研制成功表明已攻克了巨型機(jī)硬件研制中的理論和技術(shù)難關(guān)以及生產(chǎn)工藝等一系列問題,在國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所的計(jì)算機(jī)工廠初步形成了巨型計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)線。

    1.2.3 主機(jī)生產(chǎn)階段(1980年5月~1981年7月)

    1980年5月,各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒,全面準(zhǔn)入主機(jī)生產(chǎn)階段。785主機(jī)生產(chǎn)歷時(shí)15個(gè)月,質(zhì)量控制、工藝規(guī)范和元器件的配套是這一階段的主要工作。當(dāng)時(shí),巨型機(jī)要生產(chǎn)大面積多層印制板,高密度組裝,使用的繞接、焊錫等工藝技術(shù)難度極大,國內(nèi)相關(guān)工廠無力承擔(dān)這一艱巨任務(wù)。國防科技大學(xué)“785工程”領(lǐng)導(dǎo)小組決定由本校的計(jì)算機(jī)工廠自行承擔(dān),組建了印制板車間、焊接車間、機(jī)加工車間,成立了生產(chǎn)、器材、技術(shù)科室。在超過一年多的時(shí)間、溫度和濕度變化極大和大部分操作靠手工勞動(dòng)的情況下,100多名生產(chǎn)人員以高度的責(zé)任心和嚴(yán)格的崗位責(zé)任制,克服重重困難,勝利完成銀河- I主機(jī)的49塊6層底板、861塊7層插件板生產(chǎn)任務(wù),整機(jī)230萬焊點(diǎn)無虛焊、掛錫,主機(jī)底板工程化設(shè)計(jì)100%正確。([1],118頁)

    1.2.4 巨型機(jī)硬件系統(tǒng)調(diào)試階段(1981年3月~12月)

    這個(gè)階段集中解決了三個(gè)問題:一是插件、底板、焊接點(diǎn)、繞接點(diǎn)等全面細(xì)致的反復(fù)檢查;二是解決插件測試問題,研制了符合巨型機(jī)實(shí)際工作,特別是惡劣條件下工作的測試設(shè)備;三是解決調(diào)試工具和方法。

    為了確保巨型機(jī)硬件質(zhì)量,“785工程”領(lǐng)導(dǎo)小組成立了質(zhì)量控制組和產(chǎn)品檢驗(yàn)組,建立了嚴(yán)格的崗位責(zé)任制,實(shí)行全過程質(zhì)量跟蹤控制,把科學(xué)求實(shí)精神落實(shí)到每個(gè)環(huán)節(jié)。一個(gè)人設(shè)計(jì),三個(gè)人審查;生產(chǎn)工藝自檢互查,層層把關(guān);調(diào)試時(shí)每前進(jìn)一步都嚴(yán)格考核,每項(xiàng)設(shè)計(jì)、每道工序都必須有人簽字負(fù)責(zé)??蒲腥藛T還研制了一套計(jì)算機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)來完成785機(jī)插件板測試任務(wù),大大提高了工作效率和測試正確率。過去調(diào)試一臺(tái)百萬次級(jí)的計(jì)算機(jī)需要一年,甚至幾年,而銀河- I的分調(diào)、聯(lián)調(diào)、正確性調(diào)試和考核僅用了66天。[8]

    1.2.5 軟件系統(tǒng)的研制和聯(lián)調(diào)階段(1979年8月~1983年6月)

    785機(jī)軟件研制與調(diào)試幾乎貫穿工程全過程,面對(duì)國際上軟件迅速發(fā)展和中國軟件還比較薄弱的現(xiàn)實(shí),決策人員深知巨型機(jī)軟件研究和開發(fā)的重要性,必須下大力解決,這一階段主要做了以下工作:調(diào)集人員,充實(shí)軟件研制隊(duì)伍;采取不同形式,組織全國橫向聯(lián)合和大協(xié)作;實(shí)現(xiàn)軟件工程化和規(guī)范化;抓緊模擬器和調(diào)試工具的開發(fā),爭取時(shí)間,縮短研制周期;做好軟、硬件的約定和協(xié)調(diào)以及軟件設(shè)計(jì)的審定和階段成果的檢查與考核。

    785機(jī)一百多人的龐大軟件開發(fā)隊(duì)伍,成功開發(fā)出200萬行巨型機(jī)系統(tǒng)軟件:功能齊全、使用方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)的分布式操作系統(tǒng)和批處理系統(tǒng);根據(jù)巨型機(jī)特點(diǎn),采用FORTRON- 77標(biāo)準(zhǔn)文本,采用三級(jí)優(yōu)化技術(shù)的向量FORTRON語言YHFT,可進(jìn)行向量運(yùn)算擴(kuò)充并配有向量識(shí)別器,增強(qiáng)了向量識(shí)別能力;能描述巨型機(jī)全部機(jī)器指令,發(fā)揮程序員編程技巧,充分發(fā)揮巨型機(jī)優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)程序高效運(yùn)行的YHAL匯編語言;建立了80類292個(gè)模塊數(shù)學(xué)子程序庫以及多級(jí)診斷系統(tǒng)。[9]

    1.2.6 試算和國家技術(shù)考核、鑒定階段(1983年4月~1983年12月)

    試算,是為了檢測機(jī)器解決實(shí)際問題時(shí)發(fā)揮的性能如何,這是進(jìn)一步提高巨型機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵階段,主要做了如下工作:針對(duì)試算的組織和選擇算題類型來暴露機(jī)器存在的問題,分析其原因,認(rèn)真加以解決;抓技術(shù)測試的組織和測試大綱的制定,創(chuàng)造一切條件,保證對(duì)巨型機(jī)的技術(shù)測試是科學(xué)、嚴(yán)格的;排除薄弱環(huán)節(jié)和隱患,全面提高巨型機(jī)的性能指標(biāo)。(圖4)

    巨型機(jī)考核由用戶考核和國家技術(shù)考核兩部分組成,為了保證785工程高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),在國家考核前,先行組織了用戶技術(shù)考核。1982年6月和9月,785機(jī)接受了用戶單位的全系統(tǒng)軟硬件正確性和可靠性考核,為國家考核奠定良好基礎(chǔ)。1983年9月,國防科工委(國防科委于1982年與國防工業(yè)辦公室、軍委科委辦公室合并組成國防科工委)在長沙組織了785機(jī)國家技術(shù)鑒定組工作會(huì),完善了技術(shù)鑒定大綱與實(shí)施細(xì)則,成立了7個(gè)考核小組,完成了對(duì)同年12月份國家鑒定會(huì)的最終準(zhǔn)備。

    1.3 研制成果

    1982年1月,785工程主機(jī)硬件調(diào)試完畢,時(shí)任國務(wù)院副總理的張愛萍為“785機(jī)”命名為“銀河”,即銀河- I巨型計(jì)算機(jī)(YH- 1)。1983年12月4日,國家鑒定會(huì)在長沙舉行,國防科工委科技委主任張震寰擔(dān)任主任,國防科工委副主任聶力等8人擔(dān)任副主任,中國科學(xué)院計(jì)算所曾茂朝所長和高慶獅研究員、核工業(yè)部某院院長鄧稼先、總參謀部某所副所長金怡濂、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授金蘭等23人擔(dān)任委員,對(duì)銀河- I系統(tǒng)進(jìn)行全面嚴(yán)格的技術(shù)檢查和鑒定。12月6日,銀河- I順利通過國家鑒定(圖5),國家鑒定書確認(rèn)“銀河計(jì)算機(jī)是中國自行研制的第一臺(tái)億次電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,軟件較為齊全,其主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到和超過了鑒定大綱的要求,具有國內(nèi)先進(jìn)水平,某些方面達(dá)到了國際水平。它的研制成功,填補(bǔ)了國內(nèi)巨型機(jī)的空白,標(biāo)志著中國進(jìn)入了世界上研制巨型機(jī)的行列”,“銀河計(jì)算機(jī)即將成為我國戰(zhàn)略武器研制,航天航空飛行器設(shè)計(jì),國民經(jīng)濟(jì)的預(yù)測和決策,能源開發(fā),天氣預(yù)報(bào),圖像處理,情報(bào)分析,以及各種科學(xué)研究的強(qiáng)大的計(jì)算工具。”[10]

    銀河- I的研制成功,使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)能夠研制巨型計(jì)算機(jī)的國家之一,美國IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)出版的《巨型機(jī):設(shè)計(jì)與應(yīng)用》中,把中國的銀河- I寫入世界巨型機(jī)之列[11]。1984年,銀河- I榮獲國家“特等國防科技成果獎(jiǎng)”,研制單位國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所榮立集體一等功(圖6),當(dāng)年10月1日,銀河- I模型車在北京天安門前參加了“建國35周年”群眾游行,受到黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的檢閱*司宏偉訪談原長沙工學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所科研辦參謀、銀河- I模型車參加國慶游行親歷者張?jiān)讫垼?017年4月11日,長沙。。銀河- I總設(shè)計(jì)師慈云桂被譽(yù)為“中國巨型計(jì)算機(jī)之父”[12],1979年被中央軍委任命為國防科技大學(xué)副校長兼電子計(jì)算機(jī)系(研究所)主任,1980年當(dāng)選中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部學(xué)部委員,1985年調(diào)任國防科工委科技委常任委員、計(jì)算機(jī)顧問組組長。

    圖5 銀河計(jì)算機(jī)國家鑒定書檔案原件

    圖6 研制單位獲一等功及銀河機(jī)獲特等成果獎(jiǎng)合影紀(jì)念照片

    2 銀河- I的研制創(chuàng)新

    一段時(shí)期,國內(nèi)計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域?qū)︺y河- I多多少少有一點(diǎn)看法[13],認(rèn)為銀河- I“沒有什么實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新內(nèi)容,而僅是參考和借鑒國外已有的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)理念”[14],是“對(duì)克雷- 1的仿制、翻版”([4],52頁)。筆者通過對(duì)銀河- I有關(guān)原始技術(shù)檔案進(jìn)行研究并與美國克雷- 1巨型機(jī)對(duì)比分析,澄清一些質(zhì)疑。

    2.1 銀河- I的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    銀河- I巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)功能分布式復(fù)合多機(jī)系統(tǒng),它由一臺(tái)超高速中央處理機(jī)和若干臺(tái)外圍處理系統(tǒng)組成。

    中央處理機(jī)是一臺(tái)具有超高運(yùn)算速度、超大存儲(chǔ)容量、功能很強(qiáng)的向量與標(biāo)量通用計(jì)算機(jī)。它充分運(yùn)用并行重疊技術(shù),采用向量雙處理陣列、多通用寄存器、全面流水線的多功能部件結(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)的向量運(yùn)算和標(biāo)量運(yùn)算的能力。一個(gè)向量運(yùn)算是在雙陣列運(yùn)算部件中,同時(shí)執(zhí)行兩組數(shù)據(jù)的重疊運(yùn)算,使每一拍能獲得兩個(gè)結(jié)果數(shù)。本機(jī)還設(shè)有標(biāo)量運(yùn)算部件,由于采用了多標(biāo)量功能部件和流水線技術(shù),標(biāo)量運(yùn)算的速度也是相當(dāng)高的。[15]

    中央處理機(jī)包括運(yùn)算部分、存儲(chǔ)器和輸入輸出快速通道等,結(jié)構(gòu)圖如下(圖7):

    圖7 銀河- I中央處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖([15],4頁)

    運(yùn)算部件中設(shè)有寄存器和后援寄存器。運(yùn)算型指令一般為三地址型,操作數(shù)和結(jié)果地址都指向寄存器。指令控制部件設(shè)有容量為256X16位的指令緩存站,可存放256條短指令或128條長指令。存儲(chǔ)器采用素?cái)?shù)模塊、交叉訪問結(jié)構(gòu),它有31個(gè)存儲(chǔ)模塊,總?cè)萘繛?00萬字。中央處理機(jī)有24個(gè)輸入輸出通道,用來和外圍機(jī)連接,進(jìn)行程序與數(shù)據(jù)的傳送。中央處理機(jī)和外部設(shè)備沒有任何直接聯(lián)系,它通過外圍處理機(jī)管理這些設(shè)備,進(jìn)行輸入/輸出操作。外圍處理機(jī)包括2臺(tái)用戶處理機(jī)、1臺(tái)診斷處理機(jī)、1臺(tái)磁盤處理機(jī)和1臺(tái)通訊處理機(jī),還有5對(duì)通道用于擴(kuò)充。([15],5頁)

    2.2 銀河- I的研制指導(dǎo)思想、技術(shù)策略與途徑

    由慈云桂撰寫的《“七八五”工程銀河億次機(jī)研制報(bào)告》表明,當(dāng)初“785工程”領(lǐng)導(dǎo)小組確定的巨型機(jī)研制指導(dǎo)思想與設(shè)計(jì)原則如下:

    (1)堅(jiān)持獨(dú)立自主、自力更生、艱苦奮斗、勤儉節(jié)約的方針;

    (2)學(xué)習(xí)國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),盡量以當(dāng)前國際先進(jìn)水平為起點(diǎn),積極采用先進(jìn)技術(shù),引進(jìn)必要的技術(shù)、設(shè)備,洋為中用。從我國實(shí)際情況出發(fā),盡量采用行之有效的、先進(jìn)成熟的工藝、技術(shù)和元件,把先進(jìn)性和現(xiàn)實(shí)性有機(jī)結(jié)合起來,加速完成研制任務(wù);

    (3)堅(jiān)持質(zhì)量第一、可靠性第一,把“三嚴(yán)”作風(fēng)貫徹到工作的始終;

    (4)系統(tǒng)簡潔,維護(hù)方便,使用靈活,軟硬結(jié)合,軟硬并舉,使軟硬件系統(tǒng)都具有先進(jìn)水平;

    (5)大搞技術(shù)革新和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試。[16]

    同時(shí)確定的巨型機(jī)研制具體技術(shù)策略與途徑是:

    (1)發(fā)揮自身優(yōu)勢,集中主要力量,高速度、高質(zhì)量地研制億次巨型機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——高速主機(jī)。協(xié)作研制或引進(jìn)外圍機(jī)和外部設(shè)備等;

    (2)為了研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高度結(jié)合,主機(jī)生產(chǎn)立足于校內(nèi),并積極建立實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)基地,攻克技術(shù)、工藝難關(guān);

    (3)發(fā)揚(yáng)社會(huì)主義大協(xié)作精神,組織軟件協(xié)作攻關(guān),高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量地按時(shí)完成各種軟件研制任務(wù)。([16],4頁)

    2.3 銀河- I與克雷- 1的性能比較

    克雷- 1(CRAY- 1)是美國克雷研究公司1976年3月研制成功的巨型向量計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它是一種加工速度很快的數(shù)組處理機(jī),突出特點(diǎn)是流水線和向量處理,每秒運(yùn)算速度達(dá)1億次,是美國第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)。剛推出時(shí),克雷- 1的操作系統(tǒng)不支持任何對(duì)話式應(yīng)用,僅限于單道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。除了數(shù)學(xué)子程序座和某些應(yīng)用程序庫以外,連應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫管理軟件也沒有。盡管如此,該機(jī)仍受到美國政府高度重視和支持,美國武器研究部門使用該機(jī)來研制增強(qiáng)安全性能的核彈頭,在美國核武器發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。[17]

    當(dāng)時(shí),美國為了保持在巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢,對(duì)克雷- 1的技術(shù)實(shí)施了嚴(yán)格的保護(hù)與封鎖,銀河- I研制人員所能夠獲取的公開資料非常之少。[18]

    銀河- I與克雷- 1的主要性能指標(biāo)比較如表1[19]:

    表1 銀河- I與克雷- 1的主要性能指標(biāo)比較

    2.4 銀河- I的技術(shù)突破與工程創(chuàng)新

    通過銀河- I原始技術(shù)檔案進(jìn)行剖析、歸納、總結(jié),銀河- I有以下八個(gè)主要方面的技術(shù)突破與創(chuàng)新。

    2.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

    對(duì)于克雷- 1內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)奧秘,研制人員無法得知,為了能夠獲得每秒一億次以上的運(yùn)算速度,銀河- I在主機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了幾個(gè)重大的技術(shù)決策[20]:

    (1)首創(chuàng)提出了向量雙陣列部件結(jié)構(gòu)方案,即雙浮點(diǎn)運(yùn)算部件六條流水線,雙向量部件六條流水線,雙向量寄存器,使得每拍可獲得兩個(gè)運(yùn)算結(jié)果。

    (2)首創(chuàng)了多模塊素?cái)?shù)模雙總線交叉訪問存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少了訪問沖突的概率,滿足了雙向量陣列運(yùn)算時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流量的需求。

    (3)設(shè)計(jì)了全流水線化功能部件和復(fù)合流水線技術(shù)。全機(jī)18個(gè)功能部件全是流水線結(jié)構(gòu),指令控制、數(shù)據(jù)存取,都采用流水線工作方式;且運(yùn)用復(fù)合流水線技術(shù),較好地解決了向量指令相關(guān)問題,提高了部件工作的并行度,因而提高了實(shí)際運(yùn)算速度。

    (4)設(shè)置了“壓縮還原”型傳送指令和間接地址傳送指令,對(duì)一些算法提供了方便,可以大大節(jié)省空間,顯著地加快了運(yùn)算速度。

    2.4.2 硬件設(shè)計(jì)的改進(jìn)

    (1)改進(jìn)了克雷- 1浮點(diǎn)倒數(shù)近似迭代算法,簡化了部件結(jié)構(gòu)。在精度相同的情況下,器材節(jié)省60%,流水線從14站降為6站,縮短了運(yùn)算起步時(shí)間。

    (2)在指令流水控制部件中設(shè)置了微命令庫,使控制簡單,節(jié)省了器材。

    (3)利用單片存取周期375ns的MOS組件,研制成功周期為400ns、容量為64K的存貯器模塊。

    (4)素?cái)?shù)模(模31/模17)雙總線交叉訪問的存貯控制技術(shù),包括快速地址變換算法及其實(shí)現(xiàn),訪問沖突處理和隊(duì)列結(jié)構(gòu)等,保證了高速數(shù)據(jù)流量的實(shí)現(xiàn)。

    (5)采用微程序控制的雙緩沖盤控接口設(shè)計(jì),使磁盤傳輸速度充分發(fā)揮。

    (6)針對(duì)外圍機(jī)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件接口。[21]

    2.4.3 軟件系統(tǒng)的開發(fā)與突破

    首先建立了較完整的銀河機(jī)軟件工程化規(guī)范。按照軟件工程化的需要,形成了軟件人員梯隊(duì),按級(jí)分工,實(shí)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。獨(dú)立研制出各種模擬器和調(diào)試、測試等軟件工具,使軟件調(diào)試與硬件研制工作同時(shí)進(jìn)行,大大加速了軟件研制進(jìn)度。實(shí)行了較嚴(yán)格的軟件工程化管理制度,和高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的考核驗(yàn)收制度。這些是軟件產(chǎn)品高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。[22]

    (1)銀河- I操作系統(tǒng)是自主獨(dú)立研制的分布式批處理系統(tǒng),主機(jī)可承接128道作業(yè),其中63道可同時(shí)投入運(yùn)行。允許用戶指定某道作業(yè)為特惠作業(yè),可優(yōu)先占用各種系統(tǒng)資源。還允許用戶隨時(shí)記盤下機(jī)或調(diào)盤上機(jī),以利用用戶分段算題。銀河操作系統(tǒng)采用分層模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì),各模塊功能相對(duì)獨(dú)立,接口清晰,可擴(kuò)充性強(qiáng),相比克雷- I的操作系統(tǒng)功能更全。

    (2)自行研制成功銀河向量高級(jí)語言YHFT。根據(jù)銀河巨型機(jī)的特點(diǎn),在國際標(biāo)準(zhǔn)文本(FORTRAN 77)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了向量運(yùn)算。采用基本塊優(yōu)化、表達(dá)式優(yōu)化和目標(biāo)代碼優(yōu)化等三級(jí)優(yōu)化技術(shù),較好地發(fā)揮了銀河機(jī)硬件的效率。YHFT還配有向量識(shí)別器,采用新的下標(biāo)追蹤法與傳統(tǒng)的坐標(biāo)法相結(jié)合的向量分析和識(shí)別方法,增強(qiáng)了識(shí)別功能。全部完成后,它可以識(shí)別包含GOTO語句和三種IF語句的DO循環(huán)體,使之也能向量化。

    (3)獨(dú)立研制了數(shù)學(xué)子程序庫,除包含F(xiàn)ORTRAN全部內(nèi)部函數(shù)外,還包含了各種向量子程序,達(dá)80類292個(gè)模塊。由于進(jìn)行了深入的并行算法和并行程序設(shè)計(jì)研究,不僅功能、數(shù)量比克雷- 1的多,而且精度、速度都比克雷- 1的高。

    (4)自主開發(fā)和擴(kuò)充了PDP- 11/70機(jī)的系統(tǒng)軟件,設(shè)計(jì)了與銀河機(jī)的通訊接口軟件,并開辟了磁帶數(shù)據(jù)直接進(jìn)入銀河機(jī)主存的通道,大大加速了系統(tǒng)的輸入輸出能力。

    2.4.4 維護(hù)診斷技術(shù)

    在銀河- I的整個(gè)研制中,十分重視主機(jī)的可維性設(shè)計(jì),并積極采用它機(jī)診斷技術(shù),使銀河機(jī)具有較高的可維性和可用性,主要有[23- 24]:

    (1)三控部分利用雙陣列部件比較、雙數(shù)據(jù)通路比較、關(guān)鍵控制部件雙套比較、奇偶校驗(yàn),進(jìn)行了全面的可測性布局,硬件只增加5%,大部分故障(包括瞬時(shí)故障)都可以及時(shí)檢測,并為插件級(jí)故障診斷創(chuàng)造了極有利的條件。

    (2)主存儲(chǔ)器采用可糾一位錯(cuò)、檢測多位錯(cuò)的海明碼校驗(yàn)系統(tǒng),大大提高了可靠性,并設(shè)有完整的自檢手段,維護(hù)方便。特別是,主存校驗(yàn)系統(tǒng)的許多重要信息(包括訪問源、體號(hào)、體內(nèi)地址和糾錯(cuò)碼等)均可以由軟件回收,從而保證了存儲(chǔ)體故障的準(zhǔn)確定位。

    (3)通過集中式診斷處理部件,在硬件結(jié)構(gòu)基本不變的情況下,可以從診斷維護(hù)機(jī)向銀河主機(jī)掃入掃出各種控制信息(包括時(shí)鐘控制),回收所有硬校驗(yàn)信息,為它機(jī)診斷和自動(dòng)調(diào)機(jī)提供了有效手段。

    (4)自主建立了部件級(jí)、插件級(jí)、組件級(jí)三級(jí)診斷系統(tǒng),診斷速度快,定位準(zhǔn)確,使用方便。主機(jī)插件級(jí)診斷可以對(duì)絕大部分固定性邏輯故障隔離到三塊插件以內(nèi),大大縮短了銀河機(jī)的維修時(shí)間。

    (5)開發(fā)了各種故障診斷生成軟件,如面向診斷的硬件描述語言DDL- D及其翻譯器,隨機(jī)碼生成技術(shù),測試碼生成算法,邏輯故障模擬算法和權(quán)“3”壓縮映象故障字典等,有效地解決了復(fù)雜功能部件和邏輯插件的測試生成問題。

    (6)研制了自動(dòng)插件測試臺(tái)、插件雙比測試臺(tái)、存儲(chǔ)插件測試臺(tái)等多種插件測試設(shè)備,給維機(jī)帶來了方便。

    2.4.5 高密度組裝工藝

    為了保證主機(jī)在20mc主頻下穩(wěn)定工作,獲得盡可能高的運(yùn)算速度,銀河機(jī)采用了高密度組裝工藝,即采用階梯式圓弧狀柱體機(jī)柜結(jié)構(gòu)。([1],122頁)縮短了走線距離;采用高精度、高密度、高可靠性的插件印制板和印制底板及其貼模反鍍法生產(chǎn)工藝[25];采用高密度錫焊底板組裝和繞接工藝,印制線、雙扭線、三扭線混合傳輸線結(jié)構(gòu),獲得良好的信號(hào)傳輸性能;采用加固大插件結(jié)構(gòu)和插件平插方式等,使得結(jié)構(gòu)美觀大方,電性能良好,維護(hù)使用方便。([15],42頁)

    2.4.6 高效通風(fēng)散熱系統(tǒng)

    克雷- 1的散熱采用高級(jí)的液冷技術(shù),而在當(dāng)時(shí)的條件下中國技術(shù)上達(dá)不到。銀河- I采用風(fēng)冷技術(shù),為解決高密度組裝帶來的散熱問題,在理論分析的基礎(chǔ)上,通過大量實(shí)驗(yàn),研制了平行短風(fēng)路均勻送風(fēng)的風(fēng)冷散熱系統(tǒng),進(jìn)出口風(fēng)溫之差小于7攝氏度,使得主機(jī)內(nèi)各組件管殼上表面溫度小于58攝氏度,溫差小于25攝氏度,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,增加可靠性,延長組件壽命。([15],43頁)

    2.4.7 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試和調(diào)試

    (1)開發(fā)了自動(dòng)、半自動(dòng)印制板布線軟件,作為插件、底板工程化設(shè)計(jì)的有效輔助手段。

    (2)研制了光點(diǎn)掃描照像控制機(jī),自動(dòng)鉆床控制機(jī)和快速導(dǎo)通測試儀等自動(dòng)、半自動(dòng)生產(chǎn)和測試中的關(guān)鍵工藝設(shè)備,解決了高精度、高密度多層印制板生產(chǎn)和測試中的關(guān)鍵工藝,對(duì)保證生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量起了重大作用。

    (3)在設(shè)計(jì)過程中廣泛采用了模擬技術(shù),驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、硬件算法和微程序庫等,保證了各種設(shè)計(jì)的正確性,有效地縮短了研制周期。

    (4)在硬件研制的同時(shí),在PDP- 11/70機(jī)上研制了工具匯編和具有性能分析功能的交互式模擬器,使得銀河機(jī)軟件調(diào)試工作的起步時(shí)間提前了一年半,并節(jié)約了大量銀河- I主機(jī)機(jī)時(shí),大大加快了軟件研制進(jìn)度,有效地進(jìn)行軟件性能測試,提高了軟件的質(zhì)量。

    (5)銀河機(jī)主機(jī)調(diào)試中,改革了調(diào)機(jī)方法,采用微型機(jī)調(diào)試,不但能迅速而嚴(yán)格地檢查各部分功能,且能將錯(cuò)誤現(xiàn)場打印出來,便于分析研究,也易于在調(diào)試過程中實(shí)施頻率拉偏和電壓拉偏實(shí)驗(yàn)。在軟硬件系統(tǒng)調(diào)試中,研制了軟硬件調(diào)試工具,利用PDP- 11/70機(jī)進(jìn)行交互式調(diào)機(jī),擺脫了傳統(tǒng)的利用控制面板調(diào)試方法,實(shí)現(xiàn)了調(diào)機(jī)自動(dòng)化,提高了調(diào)機(jī)質(zhì)量,加快了調(diào)機(jī)進(jìn)度。([16],11頁)

    2.4.8 低壓大電流不穩(wěn)壓直流供電技術(shù)

    低壓大電流供電在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中是一個(gè)突出問題,特別是采用電流較大的ECL電路以及高密度組裝,使電流密度急劇加大。銀河主機(jī)電流電源電壓僅為-5.2V和-2V,而所需電流則各近3000安培。若用傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源,其體積可能比主機(jī)柜還要大得多,且效率低,不可靠。技術(shù)人員解決了六相一十二相大功率低壓變壓器工藝,與并行饋電等關(guān)鍵問題。[26]

    首次在我國計(jì)算機(jī)上采用交流穩(wěn)壓、整流濾波的并行電源饋電系統(tǒng),效率高,可靠性高,且全機(jī)各點(diǎn)壓差小,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。([6],245頁)

    3 銀河- I的研制啟示

    銀河- I是我國“大科學(xué)工程”的成功案例之一,其研制的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)、啟示具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

    3.1 銀河- I研制的經(jīng)驗(yàn)與不足

    在銀河- I研制過程中,慈云桂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)長期跟蹤國際計(jì)算機(jī)前沿工作,一直勇于創(chuàng)新,為今后不斷研發(fā)新的、更高性能的計(jì)算機(jī),積累了攻關(guān)和研發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)?!丁捌甙宋濉惫こ蹄y河億次機(jī)研制報(bào)告》中記敘如下:

    (1)提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具,已經(jīng)為一些單位原來無法計(jì)算的大型課題計(jì)算出較滿意的結(jié)果。

    (2)形成了一支研制超高性能計(jì)算機(jī)的隊(duì)伍,這是一支從教授到工人、從總設(shè)計(jì)師到程序員實(shí)驗(yàn)員的具有層次結(jié)構(gòu)的隊(duì)伍,在銀河機(jī)研制過程中,鍛煉了思想作風(fēng),提高了理論水平和實(shí)踐能力。

    (3)建成了一條符合我國國情的半自動(dòng)化巨型機(jī)生產(chǎn)線,摸索出一套切實(shí)可行的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理制度。

    (4)帶動(dòng)了我所計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試和調(diào)試的理論研究和工程實(shí)踐,不少成果和設(shè)備正在發(fā)揮重要作用。

    (5)實(shí)踐了軟件工程化,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì),積累了一套研制大型計(jì)算機(jī)工程的科學(xué)管理方法。

    (6)促進(jìn)了大學(xué)本科生、碩士生和博士生的教學(xué),豐富了教學(xué)內(nèi)容,提高了教學(xué)質(zhì)量,取得了一批較高質(zhì)量的畢業(yè)論文,形成了培養(yǎng)博士和碩士生的、教學(xué)和科研相結(jié)合的基地。

    (7)在全國范圍內(nèi)形成了一支并行算法和并行程序設(shè)計(jì)的科研隊(duì)伍,他們所做的一些研究工作,填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

    (8)積累了大批資料,包括國內(nèi)外有關(guān)大型機(jī)、巨型機(jī)方面的最新資料,以及在銀河機(jī)研制過程中我們和協(xié)作單位編寫的大批技術(shù)資料和教材。([16],12~13頁)

    客觀地說,銀河- I雖然研制成功并順利通過國家鑒定,取得巨大成就,但在當(dāng)時(shí)條件下難免仍有不足之處。例如,并行算法和并行程序設(shè)計(jì)的研究不夠;銀河機(jī)局部網(wǎng)系統(tǒng)的研究與建設(shè)還沒有及時(shí)跟上;繪圖軟件沒有同步開發(fā),以致未能滿足部分大型用戶上機(jī)的急需;與用戶結(jié)合的科學(xué)庫、數(shù)據(jù)庫和專用程序包少,導(dǎo)致某些有戶單位本身應(yīng)用程序在銀河- I上的向量計(jì)算效率存在一時(shí)的困難;應(yīng)用范圍和用戶單位沒有進(jìn)一步拓展,等等。[27- 29]這些都為之后不斷改進(jìn)和提高銀河機(jī)的性能、實(shí)現(xiàn)銀河機(jī)系統(tǒng)的系列化提供了有益的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

    3.2 銀河- I研制的幾點(diǎn)啟示

    3.2.1 國家戰(zhàn)略支持

    銀河- I當(dāng)時(shí)是粉碎“四人幫”之后,在鄧小平同志親切關(guān)懷下上馬的,是在落實(shí)黨的一系列正確方針的過程中研制的。在小平同志將巨型機(jī)研制任務(wù)下達(dá)后,國防科委張愛萍主任十分重視,一面深入傳達(dá)中央軍委精神,一面組織了由張震寰副主任掛帥的領(lǐng)導(dǎo)班子,從上到下統(tǒng)籌技術(shù)力量投入到巨型機(jī)研制中。銀河工程相關(guān)工作一直得到黨、國家、軍隊(duì)高層領(lǐng)導(dǎo)重視,在人力、財(cái)力和物力等各方面都得到了大力支持。

    銀河- I研制過程中,鄧小平多次向張愛萍詢問研制情況,王震、方毅、耿飚、王首道、錢學(xué)森、洪學(xué)智等領(lǐng)導(dǎo)親臨現(xiàn)場視察指導(dǎo)。北京和長沙間建立了“指揮熱線”,下邊的問題“不過夜”反映給北京,對(duì)研制工作實(shí)施強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)和保障。國防科技大學(xué)黨委把巨型機(jī)研制作為首要任務(wù)來抓,組織了以副校長張文峰、慈云桂(兼總設(shè)計(jì)師)和副政委董啟強(qiáng)為成員的785工程領(lǐng)導(dǎo)小組,下設(shè)785工程辦公室,蘇克任主任,加強(qiáng)對(duì)整個(gè)研制任務(wù)的具體領(lǐng)導(dǎo)。[29]同時(shí)組成校、所、室和專業(yè)組的一整套指揮系統(tǒng),定期召開聯(lián)合會(huì)議,及時(shí)解決各種問題,從而使銀河- I工程任務(wù)得以高速度、高質(zhì)量、高效率地完成。

    3.2.2 原始創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合

    銀河- I研制之初,研制團(tuán)隊(duì)就確定了走一條自力更生、學(xué)習(xí)與獨(dú)創(chuàng)相結(jié)合,起點(diǎn)跟得上當(dāng)時(shí)國際水平的新路子。

    總體方案上,敢于瞄準(zhǔn)當(dāng)時(shí)國際上性能最高的巨型計(jì)算機(jī)克雷- 1,借鑒成功的設(shè)計(jì)思想和先進(jìn)技術(shù),使銀河- I研制“既是高起點(diǎn)又減少風(fēng)險(xiǎn)、少走彎路”,同時(shí)“結(jié)合實(shí)際情況,揚(yáng)長避短,創(chuàng)造性地提出了我們自己的巨型機(jī)體系結(jié)構(gòu)”,有些技術(shù),“如用雙向量部件配以雙流水線主存來提高一倍向量運(yùn)算速度等,都有我們自己的創(chuàng)新?!盵30]

    軟件方面,當(dāng)時(shí)我國與國際上差距很大。銀河- I參研人員在學(xué)習(xí)國際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,自主完成了難度極大的億次巨型機(jī)操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和I/O軟件等的研制,“還首次研究與開發(fā)了億次巨型機(jī)的模擬系統(tǒng),它能夠模擬硬件方案與結(jié)構(gòu)的正確性和有效性、應(yīng)用軟件的運(yùn)行效率等,有力支持了整個(gè)系統(tǒng)的研究開發(fā)和高效使用”。[31]

    設(shè)備器材方面,銀河- I科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了全國范圍的走訪調(diào)查,對(duì)原材料、元器件和外圍機(jī)、外部設(shè)備的生產(chǎn)與質(zhì)量情況有了深入了解,發(fā)現(xiàn)“當(dāng)時(shí)國內(nèi)的元器件,特別是高速電路技術(shù)上、工藝上還沒有完全過關(guān),有些關(guān)鍵性的原材料,如生產(chǎn)多層印制板的覆銅板,難以保證工程質(zhì)量的要求,加工外圍機(jī)和外部設(shè)備在國內(nèi)落實(shí)也存在不少困難”,最后下決心并經(jīng)國防科工委批準(zhǔn),充分利用改革開放條件,在器材和設(shè)備上,“采用兩條腿走路的方針,凡國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn),而且質(zhì)量過關(guān)的,堅(jiān)決采用國內(nèi)的產(chǎn)品;凡國內(nèi)沒有或是不能保證質(zhì)量的,則暫時(shí)從外國引進(jìn)?!盵32]事實(shí)證明,這樣做既為整個(gè)工程爭取了時(shí)間,節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi),又保證了銀河- I整個(gè)系統(tǒng)性能的高水平。值得指出的是,“考慮到工程的周期與成本,購買非核心部件是國際計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域的慣例,美國克雷- 1的大量部件甚至外圍機(jī)等都是購買的?!?[4],53頁)

    3.2.3 “集中力量干大事”的科研攻關(guān)精神

    銀河- I研制之前,參研人員只有研制百萬次機(jī)(151機(jī))的經(jīng)驗(yàn)。跨過千萬次級(jí),直奔億次級(jí),技術(shù)難度和艱巨性可想而知。特別是當(dāng)了解到有關(guān)部門購買國外計(jì)算機(jī)所附加的苛刻條件(當(dāng)時(shí)國家某部進(jìn)口一臺(tái)四百萬次的計(jì)算機(jī)用于科學(xué)計(jì)算,還被出口方要求必須為這臺(tái)機(jī)器修建六面不透明的建筑墻作為“安全區(qū)”,只允許外國專家進(jìn)入,中國人在自己的土地上都無權(quán)進(jìn)入[33])時(shí),科研人員深感責(zé)任重大。當(dāng)時(shí)慈云桂教授已年過花甲,但面對(duì)困難不退縮,既當(dāng)指揮員,又當(dāng)戰(zhàn)斗員,率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān),成功研制出銀河- I,成為中國人的“爭氣機(jī)”[34]。

    銀河- I規(guī)模龐大,涉及面廣,這就要求研制人員必須緊密團(tuán)結(jié),齊心協(xié)力。比如在研究系統(tǒng)總體方案、各分系統(tǒng)之間的接口關(guān)系以及技術(shù)難點(diǎn)等方面,總是發(fā)揚(yáng)民主,由技術(shù)骨干集體討論,使重大問題得到突破,并保證了各部分之間的協(xié)調(diào)配合。又如,在研制中碰到關(guān)鍵問題,就隨時(shí)召集有關(guān)人員到現(xiàn)場看現(xiàn)象、找原因,群策群力,集智攻關(guān)。[35]

    銀河- I研制過程中,清華大學(xué)、武漢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、湖南大學(xué)、湖南師范學(xué)院、湘潭大學(xué)、核工業(yè)某所、西南計(jì)算中心、航天工業(yè)部某所、某院計(jì)算站、石油部物探局、冶金部鞍山鋼鐵研究所、國防科大校內(nèi)的二系、七系、實(shí)驗(yàn)工廠和印制廠等單位都直接參加了銀河機(jī)的研制任務(wù)。廣州機(jī)床研究所、北京半導(dǎo)體器件一廠、北京無線電元件二廠、衡陽晶體管廠等,為銀河機(jī)研制提供了關(guān)鍵設(shè)備和器材。國防科大校內(nèi)的二、三、四、七系,航天部某基地,科工委某基地等單位為銀河機(jī)研制支援了人力。中科院計(jì)算所、電子部某所、總參某所等兄弟單位都給予技術(shù)上的大力支持。多家協(xié)作單位給予大力支援,為億次機(jī)的研制成功做出了積極貢獻(xiàn)。[36]

    銀河- I系統(tǒng)復(fù)雜,要求體積小、可靠性和穩(wěn)定性高,這對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和工藝都提出了特殊要求。當(dāng)時(shí)沒有高精度的自動(dòng)化設(shè)備,為了確保生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量,在爭取引進(jìn)有關(guān)設(shè)備的同時(shí),主要靠參研人員和技術(shù)工人們的智慧和責(zé)任心,團(tuán)結(jié)合作,奮勇攻關(guān),自主研發(fā)。如印制板照相設(shè)備、印制板自動(dòng)打孔設(shè)備、印制板導(dǎo)通自動(dòng)測試儀、器件測試與老化設(shè)備、例行試驗(yàn)設(shè)備以及插件測試設(shè)備等,都靠研究室和工廠密切配合自行研制生產(chǎn)。再如,全機(jī)數(shù)以十萬計(jì)的元器件都經(jīng)過嚴(yán)格的老化測試和篩選,上百塊多層印制板和底板,每塊約有五千個(gè)金屬化孔,100%經(jīng)過孔壁電阻測試,全機(jī)二百三十多萬個(gè)焊點(diǎn)無一漏焊、虛焊和掛錫。[37]

    銀河- I全體研制人員頑強(qiáng)拼搏,在“研制時(shí)間一天不能多,運(yùn)算速度一次不能少”的要求下,奮戰(zhàn)5年,提前完成了研制任務(wù)。經(jīng)過半年多的嚴(yán)格測試、考核、試算和驗(yàn)收,系統(tǒng)達(dá)到并超過預(yù)定性能指標(biāo),而研制經(jīng)費(fèi)只用了原先計(jì)劃的1/5。([6],238頁)

    3.2.4 堅(jiān)持為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)

    銀河- I巨型機(jī)共生產(chǎn)3臺(tái),1臺(tái)留在長沙國防科大計(jì)算機(jī)研究所服務(wù)國防建設(shè),1臺(tái)在河北涿縣石油部物探局研究院作為“銀河地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”的主機(jī),1臺(tái)在四川綿陽作為西南計(jì)算中心主機(jī)。

    長沙的銀河- I巨型機(jī),自運(yùn)行以來,長期穩(wěn)定可靠,故障率極低,每年平均交機(jī)率都在95%以上,為漢江油田開發(fā)三維石油地震處理軟件等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事應(yīng)用創(chuàng)造了難以估量的效益。([1],123頁)

    涿縣的銀河- I地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主機(jī),針對(duì)地震數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)量大、人工干預(yù)多、多用戶同時(shí)作業(yè)、各種處理模塊運(yùn)算量差異大等特點(diǎn),采取一系列重大技術(shù)舉措,改進(jìn)了操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng),新增兩臺(tái)前端機(jī)和研制了相應(yīng)的軟硬件接口,研制了一整套地震應(yīng)用軟件等,為我國石油勘探開發(fā)提供了強(qiáng)有力的手段,投入運(yùn)行以來,穩(wěn)定可靠,為石油地震數(shù)據(jù)處理精加工,為油藏模型建立、分析做了大量工作。[38]

    綿陽的銀河- I,配有兩臺(tái)銀河超級(jí)小型機(jī)作前端機(jī),多年來穩(wěn)定可靠,交機(jī)率達(dá)92%以上,每年提供8000多機(jī)時(shí),為工程物理科學(xué)計(jì)算以及航空、航天技術(shù)的課題計(jì)算等做出了巨大貢獻(xiàn)。[39]

    3.3 銀河- I研制的后續(xù)影響

    銀河- I億次巨型計(jì)算機(jī)的研制成功,不僅結(jié)束了我國沒有巨型機(jī)的歷史,實(shí)現(xiàn)了“零的突破”,打破了西方禁運(yùn)和封鎖,增強(qiáng)了國防實(shí)力,更對(duì)我國巨型機(jī)事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

    一是堅(jiān)定了走中國特色自主創(chuàng)新的技術(shù)路線的信心。搞自主創(chuàng)新不等于保守封閉,恰恰需要站在世界前沿,利用最先進(jìn)的技術(shù)思想開闊視野,增強(qiáng)創(chuàng)新能力。銀河- I的研制成功,靠的正是這種與時(shí)俱進(jìn)的理念和自主創(chuàng)新的智慧。此后“銀河- Ⅱ”、“銀河- Ⅲ”等銀河系列巨型計(jì)算機(jī)的研制,完成了從大規(guī)模并行體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),到可擴(kuò)展共享存儲(chǔ)并行體系結(jié)構(gòu)的跨越,各代系統(tǒng)總體上都達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平,而且有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新處于國際領(lǐng)先水平(圖8);而新世紀(jì)新階段研制成功的“天河一號(hào)”、“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī),先后在國際超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜上奪冠,推動(dòng)中國巨型機(jī)研制技術(shù)躍上“世界之巔”。

    圖8 “銀河- Ⅱ”、“銀河- Ⅲ”等銀河系列巨型計(jì)算機(jī)真機(jī)陳列

    二是鍛煉了一支勇于進(jìn)取、能打硬仗的科研隊(duì)伍。銀河- I的研制隊(duì)伍中,相繼涌現(xiàn)了中國科學(xué)院學(xué)部委員1人(慈云桂)、中國科學(xué)院院士2人(周興銘、楊學(xué)軍),中國工程院院士4人(陳火旺、盧錫城、宋君強(qiáng)、廖湘科)。團(tuán)隊(duì)先后獲得特等國防科技成果獎(jiǎng)1項(xiàng),國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)6項(xiàng),國家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng),軍隊(duì)和部委科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)70余項(xiàng),被中央軍委授予“科技攻關(guān)先鋒”榮譽(yù)稱號(hào)。

    三是形成了以“胸懷祖國、團(tuán)結(jié)協(xié)作、志在高峰、奮勇拼搏”為內(nèi)容的“銀河精神”。這十六字“銀河精神”是該團(tuán)隊(duì)自受領(lǐng)銀河- I億次巨型計(jì)算機(jī)研制任務(wù)以來,在長期的銀河工程科研實(shí)踐中自覺形成的,成為他們凝聚隊(duì)伍、發(fā)展事業(yè)的“精神圭臬”。1991年12月,在我國首臺(tái)十億次巨型機(jī)銀河- Ⅱ即將研制成功之際,國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系召開第四次黨代會(huì),正式把“銀河精神”確定下來。[40]2006年,解放軍原總政治部將“銀河精神”與“兩彈一星精神”等43種革命精神一起,收入《革命精神光耀千秋》思想政治教材下發(fā)全軍學(xué)習(xí)。

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