從銀河到天河，湖南領(lǐng)跑世界超算

黨史上的湖南之最

“銀河-I”：中國(guó)第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)在湖南誕生

1983年底，我國(guó)第一臺(tái)命名為“銀河-I”的億次巨型計(jì)算機(jī)通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定。它的研制成功，向全世界宣告：中國(guó)成為繼美、日之后，第三個(gè)能獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國(guó)家。

每1秒鐘，識(shí)別火車上2800多個(gè)零部件，并能判斷出是否有裂縫等故障;

每12分鐘，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)每平方千米內(nèi)6小時(shí)的天氣情況，哪怕只隔著一座橋，也能算出“東邊日出西邊雨”;

每3個(gè)小時(shí)，完成500人規(guī)模的全基因組信息關(guān)聯(lián)性分析，而以前用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)1年時(shí)間;

每6天，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬仿真研制一架大飛機(jī)，而過(guò)去做全機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)需耗費(fèi)兩年時(shí)間……

在“銀河”“天河”超算之鄉(xiāng)湖南長(zhǎng)沙，超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的“速度”“精度”和“深度”，幾乎每隔一段時(shí)間，就會(huì)刷新紀(jì)錄。

伴隨著信息技術(shù)的快速演進(jìn)及廣泛應(yīng)用，“計(jì)算力就是生產(chǎn)力”早已成為全球發(fā)展共識(shí)。作為計(jì)算力的載體，計(jì)算機(jī)“無(wú)所不在、無(wú)時(shí)不在、無(wú)所不及”，逐步成為新型基礎(chǔ)設(shè)施，為全球科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)大推動(dòng)力。

從“銀河”實(shí)現(xiàn)我國(guó)巨型機(jī)零的突破，到“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)多次登上世界超算之巔;從每秒1億次，到10億次，再到現(xiàn)在的百億億次，科研人員充分發(fā)揚(yáng)“銀河精神”，實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史跨越，在中國(guó)科技發(fā)展史上書寫了一個(gè)又一個(gè)的輝煌。

“銀河”誕生：

中國(guó)巨型機(jī)研制實(shí)現(xiàn)零的突破

今天的輝煌，源于昨天的屈辱。

20世紀(jì)70年代，高性能計(jì)算成為推動(dòng)科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)。然而，由于沒(méi)有自己的巨型計(jì)算機(jī)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中常常受制于人。勘探出來(lái)的礦藏、石油數(shù)據(jù)資料，得送到國(guó)外去處理，不但花費(fèi)昂貴，而且數(shù)據(jù)首先要被外國(guó)專家掌握。

“中國(guó)要搞四個(gè)現(xiàn)代化，不能沒(méi)有巨型機(jī)?！?978年，在中央召開(kāi)的一次重要會(huì)議上，鄧小平同志將研制億次巨型計(jì)算機(jī)的任務(wù)鄭重交給國(guó)防科技大學(xué)。

時(shí)任該校計(jì)算機(jī)研究所所長(zhǎng)的慈云桂教授聽(tīng)到這個(gè)消息，當(dāng)即向上級(jí)立下軍令狀：每秒1億次一次不少，6年時(shí)間一天不拖，預(yù)算經(jīng)費(fèi)一分不超?！熬退闶腔沓鲞@條老命，也要把中國(guó)的巨型機(jī)搞出來(lái)！”

研制巨型計(jì)算機(jī)，談何容易？改革開(kāi)放之初，我國(guó)技術(shù)力量落后。國(guó)防科技大學(xué)雖是國(guó)內(nèi)最早研制計(jì)算機(jī)的單位之一，但此前研制的“151”計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度只有每秒100萬(wàn)次，如今要研制每秒運(yùn)算1億次的巨型機(jī)，意味著運(yùn)算速度要提高100倍，技術(shù)難度可想而知。

國(guó)防科技大學(xué)教授李思昆回憶道：“比如做計(jì)算機(jī)硬件的電路設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)純靠一個(gè)一個(gè)地在紙上畫出來(lái)，畫錯(cuò)了又得重新再來(lái)。一個(gè)小規(guī)模的集成電路設(shè)計(jì)，光畫圖就得半個(gè)月?！?/p>

“困難沒(méi)有嚇倒我們！”國(guó)防科技大學(xué)教授胡守仁回憶說(shuō)，大家只有一個(gè)信念，無(wú)論如何也要造出中國(guó)自己的巨型機(jī)，不讓外國(guó)人再卡我們的脖子，所以大家把它叫“爭(zhēng)氣機(jī)”。

經(jīng)過(guò)5年沒(méi)日沒(méi)夜的頑強(qiáng)拼搏，科研人員闖過(guò)了一個(gè)個(gè)理論、技術(shù)和工藝難關(guān)，創(chuàng)造性地提出了“雙向量陣列”結(jié)構(gòu)，大大提高了機(jī)器的運(yùn)算速度，提前1年完成研制任務(wù)，且經(jīng)費(fèi)只用了原計(jì)劃的1/5。

1983年底，我國(guó)首臺(tái)每秒運(yùn)算1億次的巨型計(jì)算機(jī)順利通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定，標(biāo)志著中國(guó)在巨型機(jī)研制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破，成為當(dāng)時(shí)繼美、日之后，能獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國(guó)家。

時(shí)任國(guó)家科工委主任張愛(ài)萍為巨型機(jī)揮筆命名為“銀河”，并題詩(shī)一首：“億萬(wàn)星辰匯銀河，世人難知有幾多。神機(jī)妙算巧安排，笑向繁星任高歌?！?/p>

此后，科研人員繼續(xù)憑借自主創(chuàng)新，相繼研制出“銀河-Ⅱ”“銀河-III”等一系列巨型機(jī)，一步步將我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)研制技術(shù)推向國(guó)際前沿，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中一系列迫在眉睫的問(wèn)題也逐漸解決。

1997年6月，當(dāng)運(yùn)算速度為每秒130億次的“銀河-III”研制成功后，國(guó)家氣象局以此來(lái)做中長(zhǎng)期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)天氣的預(yù)報(bào)由以前提前兩三天推進(jìn)到提前7天左右。

“天河”超算：

登上世界之巔的“中國(guó)速度”

當(dāng)今世界，高性能計(jì)算已成為理論與試驗(yàn)之外的第三種科學(xué)研究手段。隨著我國(guó)現(xiàn)代化快速發(fā)展，解決經(jīng)濟(jì)、科技、國(guó)防等領(lǐng)域面臨的一系列大型復(fù)雜“挑戰(zhàn)性”問(wèn)題，必須要有速度更快、容量更大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

像當(dāng)年的慈云桂們一樣，“銀河人”再次站在了高性能計(jì)算攻關(guān)的排頭，吹響了向千萬(wàn)億次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)軍的沖鋒號(hào)，向著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“珠峰”攀登。

世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展表明，計(jì)算能力每提高一個(gè)量級(jí)，都需要體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和一系列關(guān)鍵技術(shù)的新突破。彼時(shí)，國(guó)防科技大學(xué)雖然具有較為雄厚的技術(shù)積累和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但要實(shí)現(xiàn)從百萬(wàn)億次到千萬(wàn)億次的技術(shù)跨越，同樣困難重重。

“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)之所以擁有全球最快的運(yùn)算性能，其奧秘就在于它首創(chuàng)的“CPU+GPU異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)”。然而，這一全新的異構(gòu)體系在創(chuàng)建過(guò)程中，遇到了一系列重大技術(shù)瓶頸。

“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)副總設(shè)計(jì)師楊燦群教授回憶說(shuō)，GPU的特點(diǎn)是進(jìn)行圖形和視頻處理，要將它和擅長(zhǎng)運(yùn)算的CPU組合在一起進(jìn)行計(jì)算，不僅編程很難，計(jì)算效率也很低，國(guó)際上公認(rèn)的計(jì)算效率最高只有20%。

創(chuàng)新的關(guān)鍵，就在于怎樣把“不可能”變?yōu)椤翱赡堋保跊](méi)有路的地方走出一條路。經(jīng)過(guò)4個(gè)月的封閉攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)數(shù)萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了CPU和GPU高效協(xié)同計(jì)算的內(nèi)在規(guī)律，找到了性能優(yōu)化突破口，使計(jì)算效率由20%提高到70%，創(chuàng)造了一個(gè)世界奇跡。

超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)每秒運(yùn)算千萬(wàn)億次，還必須有一個(gè)快捷通暢的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，讓各種信息“跑得快”?？蒲腥藛T為此設(shè)計(jì)了一種新型交換機(jī)的方案，但美國(guó)的芯片制造商不肯支持，要求按照美國(guó)人的方案設(shè)計(jì)。國(guó)防科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)不信邪，堅(jiān)持走自己的設(shè)計(jì)路線，從頭探索，努力攻關(guān)。僅用10個(gè)月時(shí)間，一款新型交換機(jī)研制完成，實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)大大超過(guò)同類系統(tǒng)，而成本僅是同類同規(guī)模產(chǎn)品的80%。

隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，2009年10月29日，我國(guó)首臺(tái)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”研制成功，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主研制超級(jí)計(jì)算機(jī)能力從百萬(wàn)億次到千萬(wàn)億次的跨越，成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)能研制千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的國(guó)家。一年后，“天河一號(hào)”以優(yōu)異的運(yùn)算速度在世界超算500強(qiáng)排名中位居第一。

然而，僅僅過(guò)了不到8個(gè)月，“天河一號(hào)”就被擠下冠軍臺(tái)，兩年之后排名滑落至第八名。但憑著雄厚的技術(shù)積累和預(yù)先研究取得的成果，科研人員奮勇拼搏、勇攀高峰，2013年5月，峰值速度達(dá)5.49億億次的“天河二號(hào)”驚艷亮相，并先后6次站在世界超算500強(qiáng)榜首，讓古老的“算盤王國(guó)”一次次矗立在世界超算之巔。

E級(jí)計(jì)算機(jī)：

向新一代百億億次超算進(jìn)軍

在幾十年的持續(xù)攻關(guān)中，我國(guó)具備了自主芯片、互連通信系統(tǒng)和自主操作系統(tǒng)等核心產(chǎn)品的研制能力和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力，并催生了以超級(jí)計(jì)算為龍頭，高性能微處理器與微電子、網(wǎng)絡(luò)與通信、自主基礎(chǔ)軟件和信息安全等優(yōu)勢(shì)方向共同發(fā)展的創(chuàng)新體系。

百舸爭(zhēng)流，不進(jìn)則退。新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，成為中國(guó)超算尋求突破的新目標(biāo)。

2018年7月，我國(guó)自主研發(fā)的“天河三號(hào)”E級(jí)原型機(jī)完成研制部署，并順利通過(guò)驗(yàn)收，向著新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)吹響了沖鋒的號(hào)角。

相比上一代超級(jí)計(jì)算機(jī)，“天河三號(hào)”是一個(gè)劃時(shí)代的作品，自主創(chuàng)新的“金字招牌”擦得更亮。

芯片應(yīng)用備受關(guān)注。在“天河三號(hào)”E級(jí)原型機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施中，科研團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了三款芯片：“邁創(chuàng)”眾核處理器（Matrix-2000+）、高速互連控制器、互連接口控制器;自主設(shè)計(jì)了四類計(jì)算、存儲(chǔ)和服務(wù)結(jié)點(diǎn)，十余種印制電路板。核心關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)整體自主可控。

真金不怕火煉。原型機(jī)誕生后的一個(gè)多月里，力學(xué)所、物理所、大氣所、計(jì)算所等中科院院所，以及中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、清華大學(xué)、西安交大等30余家單位輪番上陣，開(kāi)展應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果表明，僅6個(gè)機(jī)柜就達(dá)到了與“天河一號(hào)”120個(gè)機(jī)柜相當(dāng)?shù)挠?jì)算能力。

有專家指出，這為下一步支撐國(guó)家重大科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，以及構(gòu)建全方位應(yīng)用生態(tài)體系打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。科研人員對(duì)“天河三號(hào)”的前景信心十足：預(yù)計(jì)在2021年左右研制成功，屆時(shí)，運(yùn)算能力將比“天河一號(hào)”提高200倍以上，實(shí)現(xiàn)跨越式提升。

“百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)是全球最前沿挑戰(zhàn)之一?！睏顮N群說(shuō)，在掌握核心技術(shù)全面自主可控的同時(shí)，更要加大高性能計(jì)算生態(tài)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)芯片、軟件、應(yīng)用的多點(diǎn)開(kāi)花。

“銀河精神”：

鑄就中國(guó)超算輝煌的“根”和“魂”

從“銀河”到“天河”，變化的是超級(jí)計(jì)算機(jī)越來(lái)越快的速度、越來(lái)越高的性能，不變的是科研人員代代傳承的“銀河精神”。在他們心中，“銀河精神”是他們堅(jiān)守的精神高地，更是他們的“根”和“魂”。一代代“銀河人”正是用“胸懷祖國(guó)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、志在高峰、奮勇拼搏”的“銀河精神”，書寫出了讓世界驚嘆的“中國(guó)速度”。

創(chuàng)造奇跡的奧秘何在？國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院政委劉學(xué)民說(shuō)：“把五星紅旗插上世界超算之巔，是‘銀河人始終追逐的中國(guó)超算夢(mèng)。”

不為人知的是，為了創(chuàng)造“中國(guó)速度”，科研團(tuán)隊(duì)犧牲了假日的悠閑，舍棄了家庭的溫馨，推遲了婚期，耽誤了治病，放棄了出國(guó)深造，許多人把青春甚至生命無(wú)怨無(wú)悔地獻(xiàn)給了祖國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制事業(yè)。

“天河一號(hào)”有一位副總設(shè)計(jì)師，患有糖尿病等多種疾病。在“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)安裝調(diào)試期間，他在機(jī)房里整整堅(jiān)守了半年時(shí)間。生活、飲食不規(guī)律導(dǎo)致他的病情不斷加重，但他堅(jiān)持不離開(kāi)崗位。直至從美國(guó)傳來(lái)“天河一號(hào)”首次登上世界超算排名榜首的消息，他才走出機(jī)房，住進(jìn)醫(yī)院。

為設(shè)計(jì)出高水平的計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制系統(tǒng)，青年講師俞午龍連續(xù)5天5夜沒(méi)合眼。第6天深夜，從夢(mèng)中醒來(lái)的妻子發(fā)現(xiàn)他還在著魔似的伏案工作，一把搶過(guò)書桌上的圖紙說(shuō)：“你再這樣拼下去，我就把這些圖紙剪碎了！”第2天一早，俞午龍又出差去了黃山。誰(shuí)也沒(méi)想到，他病倒在黃山腳下，再也沒(méi)能回來(lái)。

還有43歲的蹇賢福、40歲的張樹(shù)生、41歲的王育民……在國(guó)防科技大學(xué)，僅為“銀河”系列巨型機(jī)事業(yè)而獻(xiàn)出年輕生命的科研人員就有20多人。他們以事業(yè)丈量生命，化作一塊塊基石，托舉起中國(guó)科技騰飛的夢(mèng)想。

艱難困苦，玉汝于成！

通信光纖鋪設(shè)是“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)進(jìn)駐國(guó)家超算天津中心的首期工程，時(shí)間緊迫、任務(wù)艱巨。時(shí)值盛夏，由于溝槽溫度超過(guò)40℃，水泥表層太粗糙，剛鋪下的光纖的絕緣膠皮被磨出了道道裂痕，個(gè)別地方還露出線芯。這個(gè)問(wèn)題不解決，輕則信號(hào)中斷、通信短路，重則導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。

面對(duì)這種境況，指揮員把衣褲一脫，跳進(jìn)悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上。大家紛紛效仿，很快鋪就了一條“人肉地毯”，一根根光纖順著官兵的身軀通暢地向前延伸。

“正是這種在披荊斬棘、攻堅(jiān)克難中形成的‘銀河精神，書寫出了中國(guó)特色自主創(chuàng)新之路的輝煌?！眹?guó)防科技大學(xué)教授胡慶豐欣慰地說(shuō)。

如今，“銀河精神”與井岡山精神、“兩彈一星”精神、載人航天精神等一起成為中國(guó)人民解放軍寶貴的精神財(cái)富，成為“銀河團(tuán)隊(duì)”一代又一代的傳家寶。 （本刊綜合）■