金怡濂：計算機(jī)選擇了我

前不久，在科技新聞評選中，“神威太湖之光”四次問鼎世界超算榜冠軍被評選為2017十大科技新聞No.1。而它的總設(shè)計師，正是金怡濂。金怡濂是中國計算機(jī)事業(yè)的開拓者之一，他主持完成了中國多臺大型、巨型計算機(jī)的研制，系統(tǒng)和創(chuàng)造性地提出了巨型機(jī)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計思想和實現(xiàn)方案，為中國計算機(jī)事業(yè)特別是巨型計算機(jī)的跨越式發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

開創(chuàng)中國并行機(jī)研制的先河

金怡濂與計算機(jī)結(jié)緣，是在新中國成立后的1956年。當(dāng)時，國家把計算機(jī)技術(shù)列為科學(xué)發(fā)展的四個重點學(xué)科之一。不久后，20個年輕人被選派赴蘇聯(lián)學(xué)習(xí)計算機(jī)研制，時年27歲、自清華大學(xué)電機(jī)系畢業(yè)后進(jìn)入研究所工作的金怡濂幸運入選?！爱?dāng)時，電子計算機(jī)剛問世10年。中國沒多少人知道什么是計算機(jī)，國家急缺人才，與其說我選擇了計算機(jī)，不如說計算機(jī)選擇了我?！苯疴セ貞浀?。

1958年7月，金怡濂在蘇聯(lián)精密機(jī)械與計算技術(shù)研究所完成對電子計算機(jī)的“啟蒙”后，坐了七天七夜的火車，從莫斯科回到北京。他只到原單位報了個到，隨即就被派往中科院計算所，參與中國第一臺大型計算機(jī)104機(jī)的研制。

104機(jī)，是以蘇聯(lián)的БЭСМ-Ⅱ機(jī)為藍(lán)本研制，金怡濂在莫斯科時就已研究過蘇方的圖紙很多遍，所以，在原理和結(jié)構(gòu)上問題不大。但時值國內(nèi)“大躍進(jìn)”時期，在“大干快上”的熱潮中，質(zhì)量往往不太受重視，所以，如何確保計算機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，成了重點和難點。

當(dāng)時的計算機(jī)體積都很龐大。世界上的第一臺電子計算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC）誕生于1946年，占地170平方米，重達(dá)30噸，能在1秒內(nèi)進(jìn)行5000次加法和500次乘法運算。而104機(jī)的主機(jī)和電機(jī)組機(jī)房各占地200平方米，共有22個機(jī)柜，使用了4200個電子管、4000個晶體二極管，每秒能運算1萬次。

金怡濂頗有感觸地說：“計算機(jī)是個很特別的東西。算一個數(shù)，需要很多器件一起工作，哪里在某個瞬間斷一下，計算結(jié)果就會出大錯。所以，工藝質(zhì)量和設(shè)計質(zhì)量一樣至關(guān)重要?！?/p>

1959年國慶節(jié)，104機(jī)宣布研制完成，《人民日報》頭版頭條報道了這一喜訊。隨后，它圓滿完成了包括中國第一顆原子彈在內(nèi)的許多重大課題的相關(guān)科學(xué)運算。

此時，金怡濂已離開104機(jī)研究小組，又陸續(xù)投入到四臺大型計算機(jī)的研制工作。時值三年困難時期，金怡濂和同事們雖然吃不飽，但為了趕進(jìn)度，白天黑夜連軸轉(zhuǎn)，困了就到機(jī)房隔壁的庫房睡一覺，醒了再回到機(jī)房接著干。

金怡濂主攻的運算控制，被稱為計算機(jī)的大腦和心臟。他提出了一系列可行性建議和改進(jìn)方案，攻克了“穿通進(jìn)位鏈加法器”等課題，逐步成長為中國大型計算機(jī)研制領(lǐng)域的骨干力量，被破格提拔為研究室副主任。

1963年，三線建設(shè)時期，金怡濂攜家眷隨單位遷往大西南。生活條件自然艱苦，他們住的是干打壘的房子，各種物資都憑票供應(yīng)。金怡濂一邊學(xué)著照顧家，一邊繼續(xù)全身心地投入新型計算機(jī)的研制。

1969年，金怡濂作為主要技術(shù)負(fù)責(zé)人和總體組組長，主持國家重點工程九〇五乙機(jī)的研制。當(dāng)時，國家的電子工業(yè)基礎(chǔ)異常薄弱，金怡濂一方面與同事們下大力氣幫助合作的元器件生產(chǎn)廠家提高質(zhì)量，另一方面在國內(nèi)首次提出“雙機(jī)并行”的處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以雙機(jī)并行提高機(jī)器的速度和穩(wěn)定性，彌補元器件的可靠性不足。

雙機(jī)并行，這在當(dāng)時不少人看來是個極其大膽新穎的構(gòu)想。但金怡濂說，這并非他異想天開，而是源自多年來堅持追蹤國際新技術(shù)的心得。即使在鼓吹“知識無用”的年代，即使身在大西南信息閉塞的山區(qū)，他仍然想方設(shè)法獲取最新的學(xué)術(shù)信息。每次到大城市開會或辦事，他必定要去圖書館或資料室查閱學(xué)術(shù)資料。他說：“搞科研的人，不跟蹤了解本專業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，無異于瞎子、聾子，長此以往，思維會遲鈍，會失去想象力和創(chuàng)造力，失去創(chuàng)新的靈感和激情?！?/p>

山區(qū)的科研條件十分簡陋。印制板車間充斥著刺鼻的化學(xué)制劑氣味；數(shù)千個比米粒更小的磁芯，中間要穿過三根細(xì)銅絲，全憑一群好眼力的年輕人手工完成；數(shù)以萬計的組件，全部手動組裝……盡管如此，憑著“革命加拼命”的精神，1976年，九〇五乙機(jī)宣布研制完成，運算速度達(dá)每秒350萬次，開創(chuàng)了中國并行機(jī)研制的先河。

要在出機(jī)時達(dá)到世界第一

1978年，中國迎來科學(xué)的春天。金怡濂代表九〇五乙機(jī)的全體參研人員、設(shè)計組和他個人，在第一次全國科學(xué)大會上捧回了三張獎狀。兩個月后，他又被派往美國和日本考察大型計算機(jī)。

1980年代，“銀河”向量億次機(jī)和九〇五工程億次機(jī)兩臺運算速度達(dá)億次級的巨型機(jī)相繼成功研制。1991年，金怡濂所在的研究所又成功研制出速度達(dá)每秒10億次級的中國第一臺大規(guī)模并行處理計算機(jī)，逐漸縮小與美、日等國的差距。那么，下一個目標(biāo)，定在100億，還是1000億？各方爭議不斷。金怡濂是少數(shù)贊成直接研制1000億次級巨型機(jī)的人之一。

“冒險和求實，是一個問題的兩個方面。每做一件事，我們都必須十分認(rèn)真地去分析這件事究竟能不能做，既不能畏首畏尾，也不能盲目冒險?！苯疴フf，他支持直接研制千億次級絕非一時沖動，而是反復(fù)研究國外同行的成果近一年后得出的結(jié)論?！爱?dāng)我說出1000億時，心中至少已有了七八成的把握，剩下兩三成，也有一個初步判斷，預(yù)計那些問題可以解決。”

“計算機(jī)發(fā)展太快，早一年是先進(jìn)的，晚一年就落后了。”他還有另一層考慮，直接挑戰(zhàn)千億次級，將是一次在該領(lǐng)域迎頭趕上美日等國的機(jī)遇，機(jī)不可失。最終，新一代巨型機(jī)——“神威”的目標(biāo)被確定為1000億次級。當(dāng)時已退居二線的金怡濂被邀請出山，擔(dān)任總設(shè)計師。

在“神威”的研制過程中，金怡濂提出了比從前任何一個項目都更為嚴(yán)苛的質(zhì)量要求。他說：“我們的目標(biāo)是，哪怕一個焊點、一枚螺絲釘，也要體現(xiàn)世界先進(jìn)水平?！?996年9月，“神威”研制完成。經(jīng)測試，峰值運算速度達(dá)到每秒3120億次，跨入國際領(lǐng)先行列。這意味著，僅用4年時間，中國高性能計算機(jī)的水平就提高了300多倍，遠(yuǎn)超“摩爾定律”每四年提升一個數(shù)量級的速度。

國慶50周年，“神威”準(zhǔn)確計算出當(dāng)天北京的天氣：清晨5時雨會停，3個小時過后將云開霧散。在天安門廣場盛況空前的國慶閱兵典禮現(xiàn)場，當(dāng)太陽如期露出笑顏，受邀參加觀禮的“神威”總設(shè)計師金怡濂也笑了……

此后，金怡濂帶領(lǐng)他的團(tuán)隊再次向世界最先進(jìn)水平發(fā)起沖擊。這次，他們的目標(biāo)更加明確——要在出機(jī)時達(dá)到世界第一。2001年底，“神威Ⅱ”研制完成，速度達(dá)到每秒13.1萬億次，其峰值速度和持續(xù)速度均超過了當(dāng)時排名第一的高性能計算機(jī)；機(jī)器體積大為縮小，功耗也較低。

金怡濂始終關(guān)注著中國和世界高性能計算機(jī)未來的發(fā)展。當(dāng)前，中國在高性能計算機(jī)領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先水平。國內(nèi)同行稱這種計算機(jī)為“巨型機(jī)”，而國際上更普遍的稱謂是“超級計算機(jī)”（Super computer）。金怡濂介紹說，預(yù)計到2020年前后，超級計算機(jī)的運算能力將突破每秒100億億次，全世界的同行都正在朝這個目標(biāo)努力。