神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)

段芳

1997年，世界上首臺(tái)萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)在美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室落戶，2016年，十億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”問世。短短20年間，超級(jí)計(jì)算機(jī)單臺(tái)性能整整提高了10萬(wàn)倍?！吧裢ぬ狻背?jí)計(jì)算機(jī)的最大特點(diǎn)就是運(yùn)算速度快，其整機(jī)系統(tǒng)峰值性能可達(dá)每秒12.5億億次，它1分鐘的計(jì)算能力相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算 32年。計(jì)算性能、持續(xù)性能和性能功耗比這三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)在系統(tǒng)發(fā)布時(shí)均居世界前列。

“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)采用基于高密度彈性超節(jié)點(diǎn)和高流量復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的高效能體系結(jié)構(gòu)，由運(yùn)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、外圍系統(tǒng)、維護(hù)診斷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

運(yùn)算系統(tǒng)

由32768個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)組成，主要包括處理器、存儲(chǔ)器、節(jié)點(diǎn)管理控制器、電源供電和接口電路等。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

采用大規(guī)模高流量復(fù)合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了超節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、共享資源網(wǎng)絡(luò)和中央交換網(wǎng)絡(luò)的三級(jí)互連，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)高帶寬、低延遲通信，有效支持計(jì)算密集、通信密集和輸入/輸出（I/O）密集等多類型課題的運(yùn)行。

外圍系統(tǒng)

由網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)和外圍管理系統(tǒng)組成。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)由存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)磁盤陣列盤陣組成，負(fù)責(zé)為運(yùn)算節(jié)點(diǎn)提供高速可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問服務(wù)。

外圍管理系統(tǒng)由系統(tǒng)控制臺(tái)、管理服務(wù)器和管理網(wǎng)絡(luò)組成，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理與服務(wù)。

維護(hù)診斷系統(tǒng)

提供全面的在線維護(hù)管理、運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境監(jiān)控、故障定位與記錄，以及安全保護(hù)。

電源系統(tǒng)

包括配電、高壓整流柜、直流不間斷電源、交流不間斷電源、機(jī)倉(cāng)板級(jí)電源以及相應(yīng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向整機(jī)各個(gè)部分提供穩(wěn)定、可靠的電力供應(yīng)。

冷卻系統(tǒng)

超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，冷卻系統(tǒng)幫助其降溫，避免因過(guò)熱而產(chǎn)生不良后果?！吧裢ぬ狻钡倪\(yùn)算機(jī)倉(cāng)和網(wǎng)絡(luò)機(jī)倉(cāng)采用間接水冷方式冷卻，外圍設(shè)備采用水風(fēng)交換方式冷卻，電源系統(tǒng)采用強(qiáng)

軟件系統(tǒng)

由國(guó)產(chǎn)眾核CPU基礎(chǔ)軟件、并行操作系統(tǒng)環(huán)境、高性能存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、并行語(yǔ)言及編譯環(huán)境、并行開發(fā)環(huán)境等部分組成。制風(fēng)冷方式冷卻，從而保證整機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

超算能干什么

超級(jí)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱超算，是指能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦無(wú)法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦。其基本組件與個(gè)人電腦無(wú)太大差異，但規(guī)格與性能則強(qiáng)大許多，是一種超大型電子計(jì)算機(jī)，具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富、高效的軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度大都可以達(dá)到每秒1太（萬(wàn)億）次以上。

超級(jí)計(jì)算機(jī)多用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的體現(xiàn)，對(duì)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義，是國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。

以“神威·太湖之光”為例，應(yīng)用領(lǐng)域最常見的有：天氣預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物開發(fā)以及各類設(shè)計(jì)等。在2017年11月舉行的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系“80后”副教授付昊桓帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成的“非線性大地震模擬”，獲得了國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)——“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。這是基于“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第二次拿下該獎(jiǎng)。“戈登·貝爾”獎(jiǎng)更注重高性能計(jì)算應(yīng)用水平，被譽(yù)為“超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”。此次獲獎(jiǎng)的“非線性大地震模擬”首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)唐山大地震發(fā)生過(guò)程的高分辨率精確模擬，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震發(fā)生過(guò)程的重現(xiàn)與預(yù)測(cè)。這對(duì)未來(lái)地震災(zāi)害救援演習(xí)、預(yù)防預(yù)測(cè)及合理規(guī)劃地震高發(fā)區(qū)的各項(xiàng)設(shè)施等都有重要意義。

我國(guó)在戈登·貝爾獎(jiǎng)上取得零的突破是在2016年，當(dāng)時(shí)由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、清華大學(xué)、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心、北京師范大學(xué)和國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心合作的“千萬(wàn)核可擴(kuò)展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”研究取得重要進(jìn)展，被授予了戈登·貝爾獎(jiǎng)，應(yīng)用的正是國(guó)產(chǎn)“神威·太湖之光”這一配備了國(guó)產(chǎn)眾核處理器的世界頂級(jí)超算系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的用于大氣動(dòng)力模擬的高可擴(kuò)展全隱式求解算法和軟件，是世界上首次在大規(guī)模異構(gòu)眾核系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)核可擴(kuò)展的高效并行隱式求解，第一次在有效時(shí)間尺度完成了500米以上分辨率的大氣模擬。該成果在應(yīng)用與算法兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了重大突破。在應(yīng)用層面，該成果首次證明了全隱式求解方法是構(gòu)建未來(lái)超高分辨率大氣模式的一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇，該大氣動(dòng)力過(guò)程的模擬速度較美國(guó)下一代大氣模擬系統(tǒng) （ 美國(guó)地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的AM3非靜力大氣模式 ） 的計(jì)算效率提升近1個(gè)數(shù)量級(jí)，未來(lái)可應(yīng)用于高分辨率氣候模擬和高精細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，提升預(yù)估、預(yù)報(bào)精度。在算法層面，該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了目前世界上首個(gè)可擴(kuò)展到千萬(wàn)核、峰值效率超過(guò)6%的隱式求解器。其并行度和峰值效率較2015年“戈登·貝爾”獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)工作均提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，預(yù)計(jì)未來(lái)在航空、地學(xué)、能源等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性計(jì)算問題求解方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

與國(guó)內(nèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)更為開放、可以匹配不同使用者需求的特點(diǎn)不同，國(guó)外的機(jī)構(gòu)研發(fā)建設(shè)超級(jí)計(jì)算機(jī)的目的都是自用。美國(guó)速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“泰坦”的建設(shè)方是美國(guó)能源部，主要應(yīng)用于美國(guó)能源部?jī)?nèi)部的核試驗(yàn)?zāi)M。類似的還有“紅杉”，這些國(guó)外超級(jí)計(jì)算機(jī)用途較為單一，基本只能適配某一方向的應(yīng)用，但針對(duì)性、專業(yè)性更強(qiáng)。

總的來(lái)說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)從一開始算“地”（全球氣候、各類模型等），到算“天”（宇宙探索），最后累積了海量經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，從而發(fā)展到算“人”（人工智能）這個(gè)最貼近人類、也最復(fù)雜的課題上。2017年5月，在中國(guó)烏鎮(zhèn)圍棋峰會(huì)上，人工智能程序與世界排名第一的世界圍棋冠軍柯潔對(duì)戰(zhàn)，人工智能程序以3∶0的總比分獲勝。而早在很多年前，人類下象棋就不是超級(jí)計(jì)算機(jī)的對(duì)手了。

利用大氣模擬模型生成的全球氣候變化預(yù)測(cè)