漫談科學(xué)家的“計(jì)算焦慮”

文/趙廣立

5月30日是第5個(gè)“全國科技工作者日”。在這個(gè)向科學(xué)家致敬的日子，錢學(xué)森、鄧稼先、吳文俊、黃旭華等許多老一輩科學(xué)家成為人們“追星”的對象。

人們總是要問：在那個(gè)一窮二白的年代，他們是怎樣做到的？

尤其是，那個(gè)沒有電子計(jì)算機(jī)的年代，他們是怎么運(yùn)算、模擬、設(shè)計(jì)的？用算盤嗎？

還真是。

從算盤到超算

“中國核潛艇之父”、中國工程院院士黃旭華至今仍珍藏著的一把前進(jìn)牌算盤。許多人可能想象不到，中國的第一代核潛艇是用算盤和計(jì)算尺一點(diǎn)點(diǎn)算出來的。

中國核潛艇的另外一位“拓荒?！薄⒔毡恢行孔肥凇皶r(shí)代楷?！狈Q號的彭士祿院士也曾回憶說：“那時(shí)沒有電腦，僅有一臺手搖計(jì)算機(jī)，大家就拉計(jì)算尺、打算盤，那么多的數(shù)據(jù)都是靠這些工具沒日沒夜地算出來的。”

那時(shí)的中國，一窮二白。盡管如此，僅靠算盤、計(jì)算尺，加上一臺手搖計(jì)算機(jī)，彭士祿、黃旭華和科研人員計(jì)算了十余萬組數(shù)據(jù)，成功確定了100多個(gè)參數(shù)。

那把算盤，曾陪伴黃旭華度過無數(shù)個(gè)日日夜夜。

一代核潛艇如此，“兩彈一星”研制早期也如此。在“兩彈一星”精神主題展上，就曾展出過一把“兩彈一星”元勛鄧稼先使用過的飛魚牌手搖計(jì)算機(jī)。

據(jù)說，當(dāng)年蘇聯(lián)專家撤離時(shí)，給我國科學(xué)家們留下了一個(gè)原子彈研發(fā)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但這個(gè)數(shù)據(jù)卻與我國科學(xué)家計(jì)算的結(jié)果不一致。鄧稼先和同事們就靠著這一臺臺手搖計(jì)算機(jī)，花了一年多的時(shí)間算出了正確的數(shù)據(jù)，最終成功研發(fā)出我國第一顆原子彈。

說起計(jì)算機(jī)，我國著名流體力學(xué)家、中科院院士童秉綱曾有一段難忘的回憶。

他記得，1972年他被派去沈陽一個(gè)航空工廠的設(shè)計(jì)科，從事空氣動力學(xué)方面的研究。當(dāng)時(shí)，沈陽工廠引進(jìn)了一臺計(jì)算機(jī)，但這臺計(jì)算機(jī)運(yùn)行非常不穩(wěn)定，經(jīng)常一不小心就把幾個(gè)小時(shí)的運(yùn)算數(shù)據(jù)都?xì)Я恕?/p>

童秉綱被安排在后半夜上機(jī)，出于對運(yùn)算的擔(dān)心，他常常后半夜不能睡覺。長期超負(fù)荷工作損耗著他的身體，以至于走起路來頭重腳輕。

后來，隨著我國計(jì)算機(jī)事業(yè)的起步、發(fā)展和騰飛，科技工作者逐步用上了國產(chǎn)的計(jì)算機(jī)和超級計(jì)算機(jī)。從“功勛機(jī)”109丙機(jī)到100系列，從銀河-I巨型機(jī)到“曙光一號”，再從“曙光1000”到“神威·太湖之光”，我國逐漸治好了“計(jì)算機(jī)焦慮癥”。

“僧多粥少”的計(jì)算焦慮

但科技工作者們的“計(jì)算焦慮”還沒有治好。

就經(jīng)濟(jì)危機(jī)而言，雖然蘇維埃政權(quán)取得了國內(nèi)戰(zhàn)爭和抗擊外國武裝干涉的勝利，但是經(jīng)過了4年世界大戰(zhàn)和3年國內(nèi)戰(zhàn)爭的俄國，此時(shí)國民經(jīng)濟(jì)已瀕臨破產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1920年大工業(yè)產(chǎn)值與戰(zhàn)前相比幾乎減少了6～7成，冶金業(yè)約為戰(zhàn)前產(chǎn)量的3%，煤比戰(zhàn)前減產(chǎn)2/3，石油幾乎減產(chǎn)3/5，紡織品產(chǎn)量減少19/20。1920年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值只等于沙皇俄國時(shí)期的65%[3]356-357。糧食和其他最必需的食品嚴(yán)重短缺。這種情況導(dǎo)致人民生活異常艱難。更為不幸的是，1921年俄國發(fā)生嚴(yán)重旱災(zāi)，它遍及了俄國主要的產(chǎn)糧區(qū)，饑民達(dá)到3 000萬到3 500萬[4]57。

很多人沒有接觸過超算，誤以為使用超算和個(gè)人電腦一樣，這顯然不對。

以最常見的材料計(jì)算為例，研究人員為了獲得某特性的合金材料（比如要滿足某航空器要求），首先需要對材料建模，然后將模型寫成代碼、程序發(fā)給超算。得到計(jì)算結(jié)果后，如果材料特性不合格，就要調(diào)整模型、改代碼重新計(jì)算，如此往復(fù)，直至得到滿足要求的材料模型。整個(gè)過程難免需要多次計(jì)算，而拿到成功模型卻在試制樣品時(shí)得不到合格材料也是常有的事兒，這樣一來，還要再去重復(fù)上述步驟。

雖然過程曲折艱辛，但如果沒有超算直接制樣試驗(yàn)，找到合格配方的合金材料沒個(gè)幾十年是難以成功的——超算模擬計(jì)算已極大加速了這一過程。

材料計(jì)算還只是超算應(yīng)用的一種，汽車工業(yè)、高端制造、生物信息、藥物研發(fā)、氣候模擬、海洋環(huán)境、能源勘探、航空航天……這些領(lǐng)域前進(jìn)的每一步，都離不開超算。再加上近幾年大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能應(yīng)用逐漸成為超級計(jì)算機(jī)的主要負(fù)載，“全球的算力需求每三個(gè)半月翻一倍”雖稍顯夸張，但也反映了問題。

需要科學(xué)計(jì)算的人數(shù)也在不斷增加。2019年7月，國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《新中國成立70周年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展成就報(bào)告》顯示，2018年，我國按折合全時(shí)工作量計(jì)算的全國研發(fā)人員總量為419萬人年，是1991年的6.2倍。

為“兩彈一星”研制做出過卓越貢獻(xiàn)的飛魚牌手搖計(jì)算機(jī)（圖/中科院計(jì)算所）

在計(jì)算機(jī)仿真和大數(shù)據(jù)計(jì)算越來越取代實(shí)驗(yàn)成為主流科學(xué)研究范式的今天，“僧多粥少”的超算必須以更高效的方式傳遞到用超算的人手中。

自建中小型超算用起來既方便也不方便：方便在沒人爭搶資源，不方便在凡事都要親力親為——從超算的開關(guān)機(jī)及日常維護(hù)這些繁瑣事項(xiàng)，到計(jì)算底層開發(fā)和優(yōu)化這些需要高度專業(yè)的技術(shù)活兒，科學(xué)家們難以獨(dú)力支撐。

超算云時(shí)代的到來，順理成章。

進(jìn)入超算云服務(wù)時(shí)代

“超算云”與“云計(jì)算”概念略有不同，它是超算擁有者或第三方組織者將超算資源以云服務(wù)的形式提供給用戶，解決的是用戶“無超算可用”“無好超算用”“因缺乏技術(shù)支持而超算難用”等問題。

并行科技是國內(nèi)最早開展超算云服務(wù)的機(jī)構(gòu)之一?；趪揖W(wǎng)格與云計(jì)算技術(shù)，并行科技結(jié)合其高性能計(jì)算研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推出“并行超算云”。并行科技董事長陳健介紹，迄今他們已綜合300多個(gè)高性能計(jì)算集群，向20多個(gè)行業(yè)的5萬多用戶提供超算云服務(wù)。

企業(yè)研發(fā)也看到了超算云服務(wù)的優(yōu)勢。國內(nèi)風(fēng)電龍頭金風(fēng)科技在2017年成為并行科技的用戶，每年的高性能計(jì)算預(yù)算超過500萬元。在金風(fēng)科技看來，相比自建超算，超算云服務(wù)意味著“多快好省”：資源充足且穩(wěn)定，有充分的研發(fā)支持和及時(shí)高效的客戶服務(wù)，在保證業(yè)務(wù)持續(xù)性的同時(shí)，具有較高性價(jià)比，可大大降低公司資本開支。

以超算云服務(wù)提供計(jì)算資源的形式正在國內(nèi)流行起來：一方面，國家超算廣州中心、中科院超算中心、國家超算長沙中心、國家超算無錫中心、北京超級云計(jì)算中心等眾多大型超算中心構(gòu)成的海量資源池的超算“電力網(wǎng)”，正通過超算云將這個(gè)算力網(wǎng)接入千萬科研工作者的電腦；另一方面，一些云計(jì)算企業(yè)，如阿里云、華為云、浪潮云、騰訊云等也逐步開始推廣超算云的服務(wù)形態(tài)。

用好超算并不容易，背后需要大量的計(jì)算技術(shù)支撐——這也正是超算云服務(wù)商的生存空間，他們除了日常響應(yīng)用戶在用超算過程中發(fā)生的意外情況，還要主動解決共性難題。例如，并行科技在處理某團(tuán)隊(duì)超算應(yīng)用軟件PyCDT安裝問題的同時(shí)，還把PyCDT軟件的安裝及優(yōu)化部署到超算公共環(huán)境，以避免類似問題發(fā)生。

“這不是某一天要做的事情，而是每一天都要做的事情?！辈⑿锌萍家晃患夹g(shù)負(fù)責(zé)人說。

今天，科學(xué)計(jì)算“底座”引擎作用正愈發(fā)凸顯，所幸，科學(xué)家們的“計(jì)算焦慮”也正隨著超算云服務(wù)的流行逐漸成為歷史。