淺談中國超級計(jì)算機(jī)及其發(fā)展

張健 國家超級計(jì)算天津中心

1 引言

2018年6月8日，計(jì)算峰值速度為200PFlops的超級計(jì)算機(jī)“Summit”在美國的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布。自2016年以來一直保持世界第一的部署在國家超級計(jì)算無錫中心的超級計(jì)算機(jī)“太湖之光”的峰值計(jì)算能力為125PFlops，“Summit”比“太湖之光”快了60%。

2 什么是超級計(jì)算機(jī)

超級計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和我們家用的PC電腦類似，但是在規(guī)模和性能上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的PC電腦。超級計(jì)算機(jī)除了具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，還具有大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲能力和高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。同時(shí)，超級計(jì)算機(jī)還配有豐富的操作系統(tǒng)、編譯環(huán)境、并行開發(fā)環(huán)境和軟件環(huán)境，能夠給不同應(yīng)用領(lǐng)域的用戶提供合適的編譯、開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

高性能計(jì)算領(lǐng)域通常用浮點(diǎn)運(yùn)算能力來描述超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，單位是Flops，含義為每秒執(zhí)行了多少次浮點(diǎn)運(yùn)算。超級計(jì)算機(jī)“Summit”能夠每秒鐘進(jìn)行20億億次浮點(diǎn)運(yùn)算，也就是說它運(yùn)算1分鐘，相當(dāng)于13億中國人同時(shí)使用計(jì)算器連續(xù)計(jì)算80年。

超級計(jì)算機(jī)對任何國家來說，不但能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，也對保障國家安全發(fā)揮著不可替代的作用，更重要的是很多國家的重大科學(xué)與工程領(lǐng)域的關(guān)鍵問題都需要超級計(jì)算機(jī)那強(qiáng)大的計(jì)算能力才能完成。

3 中國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

中國的計(jì)算機(jī)行業(yè)從1958年開始發(fā)展，中國的科學(xué)家根據(jù)蘇聯(lián)提供的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行研究，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，研制出了中國第一代計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了中國計(jì)算機(jī)零的突破。中蘇關(guān)系在60年代以后開始惡化，中國得不到蘇聯(lián)的技術(shù)支持，計(jì)算機(jī)的發(fā)展停滯不前。到了70年代，中國對于超級計(jì)算機(jī)的需求日益激增，中長期天氣預(yù)報(bào)、模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、三維地震數(shù)據(jù)處理、以至于新武器的開發(fā)和航天事業(yè)都對計(jì)算能力提出了新的要求。中國的科學(xué)家經(jīng)過幾年的摸索、嘗試，終于在1983年12月由國防科大成功研制了中國第一臺超級計(jì)算機(jī)“銀河I號”，每秒鐘能夠進(jìn)行1億次浮點(diǎn)運(yùn)算。從此，中國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展明顯加快，先后研制了銀河、曙光、神威這三個(gè)系列的超級計(jì)算機(jī)，計(jì)算能力也在階梯式提升，2008年研制成功的超級計(jì)算機(jī)“曙光-5000A”的運(yùn)算速度達(dá)到了每秒鐘230萬億次。2009年，國防科大經(jīng)過不懈努力成功研制了“天河一號”超級計(jì)算機(jī)，這是國產(chǎn)第一臺運(yùn)算速度達(dá)到每秒鐘千萬億次的超級計(jì)算機(jī)，它在2010年的全球HPC TOP500中第一次成為世界冠軍。雖然“天河一號”很快就被其他國家的超級計(jì)算機(jī)超過，但是2013年，由國防科大研制的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)再次成為了世界第一，并且從2013年至2015年在全球HPC TOP500中連續(xù)6次蟬聯(lián)世界第一。這個(gè)記錄一直到2016年被我國自主研制的超級計(jì)算機(jī)“太湖之光”打破，此后“太湖之光”連續(xù)4次蟬聯(lián)世界第一。

4 中國超計(jì)算機(jī)應(yīng)用的情況

中國超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用門檻并非“高不可攀”，氣象預(yù)報(bào)、醫(yī)療檢測、城市交通等領(lǐng)域都跟我們的生活息息相關(guān)，超級計(jì)算機(jī)也有科學(xué)和工程上的應(yīng)用，如工程仿真、數(shù)值模擬、新材料、航空航天等。這些應(yīng)用領(lǐng)域的任務(wù)基本都屬于計(jì)算密集型，也就是說任務(wù)大部分在做高密度的數(shù)值計(jì)算，這跟采用分布式計(jì)算方式的云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算是有明顯區(qū)別的。

隨著中國社會(huì)的發(fā)展、進(jìn)步，中國超級計(jì)算機(jī)在新興領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，如人工智能、深度學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥、基因工程、動(dòng)漫渲染、過程控制、數(shù)據(jù)挖掘、金融分析、公共服務(wù)等。2017年中國HPC TOP100發(fā)布了國內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域分布情況，國內(nèi)超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域可以主要?dú)w納為互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)、科學(xué)計(jì)算與工程計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析三個(gè)領(lǐng)域，其中互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)所占比例為30%、科學(xué)計(jì)算與工程計(jì)算所占比例為14%、數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)所占比例為56%。由此可見，目前中國的超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域最明顯的特點(diǎn)就是大數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)成為最主要的應(yīng)用熱點(diǎn)，這兩個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)除了對超級計(jì)算機(jī)的密集計(jì)算能力有很高要求之外，對大數(shù)據(jù)的存儲能力和網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度也有很高的要求。

5 中國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

高性能計(jì)算領(lǐng)域的“下一座珠峰”是E級超級計(jì)算機(jī)，它的計(jì)算能力將達(dá)到1000PFlops。E級超級計(jì)算機(jī)將為解決全球的能源、環(huán)境及氣候氣象等重大難題發(fā)揮作用，每一個(gè)國家都希望盡快研制出E級超級計(jì)算機(jī)。目前，中國、美國、日本和歐盟各國先后部署了E級超級計(jì)算機(jī)的研制計(jì)劃，計(jì)劃在2020年至2025年完成E級超級計(jì)算機(jī)的研制。在中國的“十三五”規(guī)劃里，在經(jīng)歷科技部的科研管理體制改革之后，國家設(shè)立了三個(gè)E級原型系統(tǒng)的研制課題，分別由國家并行計(jì)算機(jī)工程中心（計(jì)劃安裝在山東）、曙光公司（計(jì)劃安裝在上海和深圳）和國防科大（計(jì)劃安裝在天津）牽頭負(fù)責(zé)研制，并在2018 年選定沖擊E級超級計(jì)算系統(tǒng)的研制方和安裝地點(diǎn)。

2015年美國以莫須有的理由禁止銷售英特爾至強(qiáng)芯片給中國的四個(gè)國家級超算中心，這使得逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主將是未來中國超級計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢。在今后國產(chǎn)自主的超級計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用軟件的移植和優(yōu)化將面臨重大挑戰(zhàn)。