中國超算風(fēng)云錄

前幾天，主編大人興奮地轉(zhuǎn)了一條微信給栗子君——《一旦成功，中國將“改變世界”》。文章很短，但卻讓栗子君關(guān)注起了一個(gè)熟悉又陌生的高科技領(lǐng)域——

天津。深圳。長(zhǎng)沙。濟(jì)南。廣州。無錫。

在6個(gè)國家級(jí)的超級(jí)計(jì)算中心里，一臺(tái)臺(tái)“中國血統(tǒng)”的超級(jí)計(jì)算機(jī)日夜不停地工作，以每秒數(shù)千萬億乃至數(shù)億億次的速度處理著全國各地發(fā)來的運(yùn)算指令。

從“天宮一號(hào)”回家路線的計(jì)算，到霧霾高精度預(yù)警預(yù)報(bào)，從C919大飛機(jī)研制，到石油鉆井位置確定，從基因測(cè)序到新藥篩選，從破解密碼到宇宙演化模擬……超算的應(yīng)用無所不在。我們?cè)絹碓奖憷篮玫娜粘Ｉ畋澈笠灿衅涔?，比如每天出門前必看的天氣預(yù)報(bào)、影視大片中的酷炫特效，甚至洗衣液瓶子的設(shè)計(jì)。上算天，下算地，中算人，無論國家安全、科技發(fā)展還是造福民生，都離不開超算的支撐。超算，可謂名副其實(shí)的“大國重器”。

前世今生話“超算”

超級(jí)計(jì)算機(jī)，即功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的一類計(jì)算機(jī)，能執(zhí)行一般個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器無法處理的大資料量與高速運(yùn)算。如果把普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比做人步行，那么超算的速度就相當(dāng)于火箭。

世界第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)CDC6600，于1963年在美國問世，運(yùn)算速度每秒300萬次，這在當(dāng)時(shí)已是絕無僅有的高速。12年后誕生的“克雷1號(hào)”，把超算帶入了億次時(shí)代。1992年，英特爾的“Paragon”率先突破萬億次大關(guān)。2009年，IBM的“走鵑”開啟了千萬億次的大門……

超算的“下一頂皇冠”，是每秒可進(jìn)行百億億次運(yùn)算的E級(jí)超算。如今世界各國正爭(zhēng)相朝這一目標(biāo)努力，誰先成功，誰就將掌握未來世界的方向。

小鏈接·全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)

超算的世界很殘酷，衡量標(biāo)準(zhǔn)“簡(jiǎn)單粗暴”——速度。從1993年起，美、德兩國聯(lián)合編制了一個(gè)“TOP500（全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)）”榜單，榜單每半年更新一次，每次總能引起全世界的關(guān)注，甚至被寫入美國國情咨文。根據(jù)最新排名，如果一臺(tái)機(jī)器運(yùn)算速度達(dá)不到每秒500萬億次，它將被無情地除名。

“中國軍團(tuán)”崛起

2016年6月20日，是TOP500第47屆榜單發(fā)布的日子，全世界都在翹首以待新冠軍花落誰家。

此前3年6屆榜單中，穩(wěn)坐頭名交椅的都是我國的“天河二號(hào)”。時(shí)間往前倒推，2001年以前，中國沒有一臺(tái)機(jī)器能入圍TOP500，而到了2010年，“天河一號(hào)”便橫空出世，登上世界超算之巔！2013年起，“天河二號(hào)”更是豪取六連冠?！爸袊妶F(tuán)”崛起速度之快，令人矚目，當(dāng)然也令人眼紅。2015年，美國對(duì)中國施行超算芯片禁售，給需要升級(jí)的“天河二號(hào)”造成了麻煩。

然而，榜單揭曉的一刻，美國人還是失望了——雖然“天河二號(hào)”未能蟬聯(lián)冠軍，但取代它稱王的不是其他機(jī)器，而是同屬中國制造的“神威·太湖之光”！這臺(tái)100%使用“中國芯”的新晉王者，速度比它的前任快了近2倍，效率提升了3倍。

如果說“天河”奪冠，尚因用了英特爾處理器而令某些人頗有微詞，那么每一部件均由中國研發(fā)、在中國本土制造的“神威”則用漂亮的成績(jī)，向世界證明了中國制造的品質(zhì)。

榮譽(yù)背后，歷經(jīng)多少風(fēng)雨坎坷，只有中國超算人知道，“玻璃房子”的故事在他們之中口口相傳：那是文革剛剛結(jié)束、我國超算研制剛剛起步的時(shí)候，某企業(yè)因工作需要向外國高價(jià)租用了一臺(tái)中型計(jì)算機(jī)，卻被要求放在獨(dú)立的機(jī)房里，只有外國工程師才可進(jìn)入使用。一道玻璃墻，就像刀子一樣深深扎進(jìn)了中國超算人的心里?！盀榱诉@口氣，拼了命也得加油干出來！”

是的，只有掌握自主權(quán)才有出路，才能不仰人鼻息、受制于人。正是憑著這股勁，“神威”“天河”在隨后3屆榜單上繼續(xù)包攬冠亞軍，直到近兩屆才被美國的“頂點(diǎn)”反超。但我國的集團(tuán)優(yōu)勢(shì)業(yè)已形成，最新一屆入圍TOP500的超算數(shù)量獨(dú)步世界，是美國的兩倍還多！

超導(dǎo)一出，誰與爭(zhēng)鋒

超算江湖里，沒人敢說能永立于不敗之地，創(chuàng)新的步伐，始終不能停歇。

跟“神威·太湖之光”登上世界舞臺(tái)差不多同時(shí)，我國下一代E級(jí)（百億億次級(jí)）超算也低調(diào)地開始了研發(fā)。去年5月，“天河三號(hào)”E級(jí)原型機(jī)已率先在天津亮相，隨后，“神威”“曙光”E級(jí)原型機(jī)也相繼交付，“三頭并進(jìn)”，全力向2020年整機(jī)研制成功的目標(biāo)沖刺。

而在超算的另一個(gè)指標(biāo)——綠色節(jié)能方面，中國人有更大的雄心。

平時(shí)我們使用小型個(gè)人計(jì)算機(jī)，幾乎感覺不到能耗，但其實(shí)大型機(jī)的用電量相當(dāng)驚人。即使是節(jié)電小能手“天河二號(hào)”，功耗也有17兆瓦之多，每年僅電費(fèi)就要1億人民幣！到“神威·太湖之光”“頂點(diǎn)”的級(jí)別，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)起碼要30兆瓦電力。至于E級(jí)超算，可能要配一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電站才行。據(jù)估計(jì)，若不改變?cè)O(shè)計(jì)方式，到2040年，全球超算需要的電力將超過全球的發(fā)電量。

那時(shí)，站出來“拯救世界”的將是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。所謂超導(dǎo)，就是某些物質(zhì)在極低溫度下電阻消失的現(xiàn)象。超算要求集成電路芯片上的元件和連線密集排列，故工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這樣一來，散熱就要耗費(fèi)很多電力，同時(shí)這也成為集成電路規(guī)模的天花板，決定著超算發(fā)展的上限。但如果使用超導(dǎo)材料制作集成電路，因電阻為零，散熱將不再是問題。因此，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)所需的電量預(yù)計(jì)只有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1/40到1/1000，而其運(yùn)算速度卻可能超越E級(jí)！

美、日、前蘇聯(lián)等國都有嘗試制造大規(guī)模的低溫超導(dǎo)電路，但目前進(jìn)展最大的還是我國。我國已于2017年實(shí)現(xiàn)擁有1萬個(gè)超導(dǎo)結(jié)的計(jì)算機(jī)芯片的大規(guī)模生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也幾乎完成，接下來的目標(biāo)，是要在2022年完成樣機(jī)制造——這，就是本文開頭提到的“一旦完成，將‘改變世界”的宏圖偉業(yè)。

3年時(shí)光很快過去，未來可期，我們且靜待佳音！