超算“神威”

超級計(jì)算機(jī)一向被稱為國之重器。超級計(jì)算屬于戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國競相角逐的科技制高點(diǎn)，也是一個(gè)國家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。2015年12月，中國研發(fā)出了當(dāng)時(shí)世界上最快的超級計(jì)算機(jī)―“神威·太湖之光”，目前落戶在國家超級計(jì)算無錫中心。

國家超級計(jì)算無錫中心的段芳女士帶記者走進(jìn)超級計(jì)算機(jī)大廳，1000多平方米的機(jī)房內(nèi)，一排排高大的黑色機(jī)倉整齊陳列著，頂上一圈隨時(shí)變換色彩的光帶，昭示著超級計(jì)算機(jī)無時(shí)無刻不在運(yùn)行著。段芳女士介紹說，“神威·太湖之光”是世界首臺峰值運(yùn)算速度超過10億億次/秒、并行規(guī)模超千萬核的劃時(shí)代的新型超級計(jì)算機(jī)?！吧裢ぬ狻钡挠?jì)算能力相當(dāng)于2000多萬臺普通的筆記本電腦，主存儲量相當(dāng)于780個(gè)國家圖書館藏書量。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)算器不間斷地計(jì)算32年。

自2016年6月至2018年6月，“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)一直名列世界第一。雖然目前它被美國“頂點(diǎn)”超級計(jì)算機(jī)和美國“山脊”超級計(jì)算機(jī)超越，位列第三，但中國超級計(jì)算機(jī)在世界超級計(jì)算機(jī)TOP500上榜總數(shù)位列世界第一。國家超級計(jì)算無錫中心研發(fā)工程師徐敬蘅告訴記者，世界超級計(jì)算機(jī)TOP500上榜數(shù)反映一個(gè)國家對超級計(jì)算機(jī)的重視程度。2017年，中國超級計(jì)算機(jī)上榜總數(shù)首次超過美國。在2018年11月最新的TOP500排名中，中國總數(shù)為229臺，是美國的兩倍多，美國總數(shù)為108臺。

我國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

1983年12月，由國防科技大學(xué)研制的“銀河一號”超級計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度達(dá)到1億次/秒，標(biāo)志著我國成為繼美國、日本等國之后，能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國家。

1993年10月，由國家智能計(jì)算機(jī)研究開發(fā)中心研制的“曙光一號”超級計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度達(dá)到6.4億次/秒，標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了設(shè)計(jì)制造支持多線程機(jī)制的對稱式緊耦合并行機(jī)。

1998年8月，由國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威Ⅰ”超級計(jì)算機(jī)，安裝在中國國家氣象局，峰值計(jì)算速度達(dá)到3840億次/秒，是國內(nèi)首臺峰值性能突破千億次的計(jì)算機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)和性能達(dá)到國家先進(jìn)水平，繼美國、日本之后，我國成為具備自主研制千億次高性能計(jì)算機(jī)能力的國家。

2009年10月，由國防科技大學(xué)研制的“天河一號”超級計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度達(dá)到1206萬億次/秒，是我國首臺千萬億次超級計(jì)算機(jī)。

2011年10月，由國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威藍(lán)光”超級計(jì)算機(jī)，安裝在國家超級計(jì)算濟(jì)南中心，峰值計(jì)算速度達(dá)到1100萬億次/秒，是國內(nèi)首臺全部采用國產(chǎn)處理器和系統(tǒng)軟硬件構(gòu)建的千萬億次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我國成為繼美國、日本之后，能夠采用自主CPU構(gòu)建千萬億次級超級計(jì)算機(jī)的國家。

2013年6月，由國防科技大學(xué)研制的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度達(dá)到5.49億億次/秒，以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度，成為當(dāng)時(shí)全球計(jì)算速度最快的超級計(jì)算機(jī)。

2015年12月，由國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度超過10億億次/秒，系統(tǒng)全面采用國產(chǎn)高性能處理器，處于世界領(lǐng)先水平。

首次完全使用“中國芯”

“神威·太湖之光”采用的中央處理器，是自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的國產(chǎn)芯片—“申威26010”眾核處理器。

時(shí)光回轉(zhuǎn)到2015年4月9日，美國商務(wù)部發(fā)布公告：禁止向中國4家國家超級計(jì)算中心出售高性能計(jì)算芯片。當(dāng)時(shí)，中國的“天河二號”在世界超級計(jì)算機(jī)TOP500排行榜上已連續(xù)4次位列第一，它使用的就是美國英特爾公司生產(chǎn)的“至強(qiáng)”芯片。面對美國對中國的技術(shù)封鎖，中國科學(xué)家沒有停止對自主可控芯片的研發(fā)。早在2014年立項(xiàng)時(shí)，“神威·太湖之光”就確立了核心技術(shù)完全國產(chǎn)化的目標(biāo)。當(dāng)年底，基于國產(chǎn)“申威26010”處理器的“神威·太湖之光”完成原型機(jī)測試；美國禁售令公布半年之后，“神威·太湖之光”完成了研發(fā)工作。

“申威26010”是“神威·太湖之光”的心臟。這是一款具有獨(dú)特性的處理器，它采用了片上融合的異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的指令集和完整的配套軟件生態(tài)系統(tǒng)。這種獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)在25平方厘米的方寸之間集成了260個(gè)運(yùn)算核心、數(shù)十億個(gè)晶體管，達(dá)到了3萬億次/秒的計(jì)算能力。除了芯片，作為一個(gè)超算系統(tǒng)，“神威·太湖之光”在體系結(jié)構(gòu)、高速互聯(lián)、系統(tǒng)軟件等關(guān)鍵技術(shù)上都實(shí)現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新和突破，帶來了在性能上的跨越式發(fā)展。

屢獲獎項(xiàng)的“神威·太湖之光”

2016年6月20日，在法蘭克福世界超級計(jì)算機(jī)大會上，國際TOP500組織發(fā)布榜單，“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)登上榜單之首，成為世界上首臺峰值運(yùn)算速度超過10億億次/秒的超級計(jì)算機(jī)。

2016年11月14日，在美國鹽湖城公布的新一期TOP500榜單中，“神威·太湖之光”蟬聯(lián)冠軍。

2016年11月18日，我國科研人員依托“神威·太湖之光”應(yīng)用成果首次榮獲“戈登·貝爾”獎，實(shí)現(xiàn)了我國高性能計(jì)算應(yīng)用成果在該獎項(xiàng)上零的突破。

2017年6月19日，“神威·太湖之光”又奪得全球超級計(jì)算機(jī)TOP500的冠軍。在它身上，擁有運(yùn)算著全球最大的虛擬宇宙，用10萬億個(gè)數(shù)字粒子模擬出宇宙的形成和早期的擴(kuò)張。

2017年11月17日，基于我國超級計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”的非線性大地震模擬應(yīng)用，再次榮獲“戈登·貝爾”獎。

2017年11月13日，全球超級計(jì)算機(jī)TOP500榜單公布，“神威·太湖之光”以9.3億億次/秒的浮點(diǎn)運(yùn)算速度第4次奪冠。與“天河二號”之前的登榜紀(jì)錄疊加，中國超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)連續(xù)第十次蟬聯(lián)世界超級計(jì)算機(jī)榜單冠軍。

“神威·太湖之光”服務(wù)于多個(gè)領(lǐng)域

按照目前的統(tǒng)計(jì)，“神威·太湖之光”兩年來的利用率已經(jīng)超過70%，累計(jì)擁有幾百項(xiàng)應(yīng)用課題，目前有一些重大項(xiàng)目正在“神威·太湖之光”上進(jìn)行全機(jī)調(diào)試，比如2016年“神威·太湖之光”的獲獎應(yīng)用—“全球大氣非靜力云分辨模擬”。徐敬蘅介紹說，超級計(jì)算機(jī)在科學(xué)與工程領(lǐng)域應(yīng)用最早、最廣泛，應(yīng)用效果也最顯著?！吧裢ぬ狻睂ξ覈萍紕?chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用?！吧裢ぬ狻毕到y(tǒng)自投入使用以來，已為上百家用戶、數(shù)百項(xiàng)大型復(fù)雜應(yīng)用課題的計(jì)算提供了服務(wù)，涉及氣候、航空航天、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、船舶工程等20多個(gè)領(lǐng)域。例如，運(yùn)用“神威·太湖之光”進(jìn)行超大規(guī)模電磁仿真計(jì)算。該課題研究以“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)等高性能計(jì)算平臺為基礎(chǔ)，計(jì)算各類目標(biāo)的電磁散射和輻射特性。所開發(fā)的超大規(guī)模高階矩量法達(dá)到國際領(lǐng)先水平，已部署于國家超級計(jì)算無錫中心等平臺，服務(wù)于中國航天、中電集團(tuán)等20多個(gè)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于預(yù)警機(jī)等重大工程。時(shí)域有限差分法、物理光學(xué)法目前在“神威·太湖之光”上分別達(dá)到了468萬和130萬計(jì)算核心的規(guī)模。再比如，運(yùn)用“神威·太湖之光”進(jìn)行精細(xì)風(fēng)資源預(yù)測CFD模擬。風(fēng)能是清潔能源的重要組成部分，而精細(xì)風(fēng)資源預(yù)測，對于風(fēng)機(jī)選址及發(fā)電量預(yù)測具有十分重要的作用。精準(zhǔn)的發(fā)電預(yù)測，可以降低風(fēng)電的不確定性帶來的高棄風(fēng)率，提高風(fēng)電利用率和發(fā)電成本。該課題通過對“遠(yuǎn)景能源”CFD程序進(jìn)行全面、多層次優(yōu)化加速，使CFD業(yè)務(wù)運(yùn)行速度在“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)上整體提升了3.5倍，每年可以結(jié)余數(shù)百萬機(jī)時(shí)費(fèi)。

中國超級計(jì)算機(jī)的未來—E級計(jì)算機(jī)

E級計(jì)算機(jī)是指可進(jìn)行百億億次每秒數(shù)學(xué)運(yùn)算的超級計(jì)算機(jī)，被全世界公認(rèn)為“超級計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠”，它將在解決人類共同面臨的能源危機(jī)、污染和氣候變化等重大問題上發(fā)揮巨大作用。中國的E級計(jì)算機(jī)的原型機(jī)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)研發(fā)，并且已經(jīng)順利地通過了國家級驗(yàn)收，也就是說我國已經(jīng)成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)E級計(jì)算機(jī)技術(shù)研發(fā)的國家。隨后，我國將開始全面進(jìn)入E級計(jì)算機(jī)的工程化制造階段。

從2013年開始，中國就一直是世界超級計(jì)算機(jī)排名的第一名。直到2018年6月8日，美國成功研發(fā)出了“頂點(diǎn)”超級計(jì)算機(jī)，并且在2018年6月的評比中重新拿到了世界第一。目前，美國的“頂點(diǎn)”超級計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為14.35億億次/秒。徐敬蘅透露，我國計(jì)劃在2020～2021年正式推出E級計(jì)算機(jī)。也就是說，兩年以后中國可能會重摘超級計(jì)算機(jī)世界第一的桂冠。