《經(jīng)濟日報》，2013年6月24日

   6月17日，最新全球超級計算機500強排行榜榜單公布，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的天河二號以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度，成為全球最快的超級計算機。這是時隔兩年半后，中國再一次獲得世界超級計算機運算速度第一的桂冠。

   在2013國際超級計算大會上，專家們認為，天河二號的性能表明，中國的超級計算機取得了飛躍。超級計算機的開發(fā),已經(jīng)真正進入了美中日歐并立的四強時代。

   為何還得用 外國芯？

   時至今日，計算機早已成為進入千家萬戶和廠礦學(xué)校的日常工具，大眾對其并不陌生。然而什么是超級計算機？

  其實，超級計算機的基本組成與你我手中的個人電腦相比并無太大差異，規(guī)格與性能則強大太多。以處理器CPU為例，目前的個人電腦一般是兩到四核，而像天河二號這樣的超級計算機則會集成數(shù)以萬計的CPU。這就好比雙人戰(zhàn)斗小組和集團軍的區(qū)別，前者靈活機動，用于完成各種個性化小任務(wù)；后者威武雄壯，用于達成各類關(guān)系重大的戰(zhàn)略目標。

   在超級計算機超級運算速度下，人們可以完成普通計算機不能完成的大型復(fù)雜課題。假設(shè)每人每秒鐘進行1次運算，需要我國13億人同時用計算器算上1000年才能完成的運算工作，天河二號花上1小時就能搞定了。

   天河二號的性能在全世界超級計算機中可以稱得上是“一騎絕塵”，它把第二名遠遠地拋在了后面。排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學(xué)教授杰克•唐加拉曾于今年5月對天河二號進行了現(xiàn)場考察。他在研究報告中指出，標準測試顯示，天河二號運算速度比排行榜上的亞軍——美國的“泰坦”快了74%。唐加拉表示：“天河二號頗富中國特色，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、前端處理器、軟件等都主要由中國技術(shù)人員發(fā)明創(chuàng)造。”

  一騎絕塵的天河二號是中國人的驕傲，但這種驕傲里也不乏遺憾：天河二號的計算陣列由國際商用CPU構(gòu)建，服務(wù)陣列由中國自主研制的CPU“飛騰1500”構(gòu)建。國產(chǎn)CPU僅僅占全部CPU的1/8。

  當然，人們也可以從另一個角度看成績，比如說，國產(chǎn)CPU已經(jīng)占全部CPU的1/8。美國勞倫斯•伯克利國家實驗室副主任霍斯特•西蒙就是采取的這種視角。他表示，盡管天河二號仍主要采用英特爾公司芯片，但中國自主研發(fā)的芯片達到4000塊左右，顯示出中國超級計算機對國外技術(shù)的依賴正在減弱。“在一些美國傳統(tǒng)的領(lǐng)先領(lǐng)域，中國正切切實實地加入比賽，并且獲得勝利。”

  為什么有了中國芯，天河二號還得用外國芯？

  天河二號副總指揮、新聞發(fā)言人李楠坦陳，天河二號無法完全使用國產(chǎn)CPU，是出于軟件兼容性的需要。

  超級計算機有5個核心要素：體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)技術(shù)、操作系統(tǒng)、CPU和應(yīng)用軟件，缺一不可。李楠說，天河二號獨創(chuàng)的異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)（見鏈接1）很可能再次引領(lǐng)國際潮流，自主研發(fā)的高速互聯(lián)性能是國際商用產(chǎn)品的兩倍，國產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)具有很高的安全性。“因此，前三個要素我們都解決得很好，但后兩個要素是短板。”

  “飛騰1500”性能比用于天河一號的“飛騰1000”提高了18倍，與國際商用CPU已經(jīng)屬于同一代產(chǎn)品。但目前我國大多數(shù)大型應(yīng)用軟件都從國外引進，只能在國際商用CPU上運行。如果全部使用國產(chǎn)CPU打造超級計算機，將只能用于天氣預(yù)報等我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)用軟件的行業(yè)。而天河二號需要面向各領(lǐng)域用戶，只能用國際商用和國產(chǎn)的CPU共同構(gòu)建系統(tǒng)。

  異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)：

  體系結(jié)構(gòu)是超級計算機的筋骨。

  我國科技人員首創(chuàng)的獨具匠心的“ＣＰＵ＋ＧＰＵ異構(gòu)融合體系”曾在天河一號中獲得成功。之后，這種結(jié)構(gòu)已被國際上很多超級計算機采用。

  這一回，中國設(shè)計師們再辟蹊徑：天河二號沒有繼續(xù)使用ＧＰＵ，而是用被稱為ＭＩＣ的英特爾部件作為加速器。這一被稱為“新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”的全新搭配方式不僅大大提高了機器的計算速度，還將天河二號的應(yīng)用從科學(xué)計算拓展至高效大數(shù)據(jù)處理、高吞吐率和高安全信息服務(wù)等多個領(lǐng)域。

  第一名的大旗 能扛多久？

  風(fēng)云變幻的世界超級計算機500強排行榜，鮮明地體現(xiàn)著“皇帝輪流做，明年到我家”的自由競技精神。冠軍的寶座常常不等捂熱，就被新的競爭對手奪去。天河二號的哥哥天河一號曾于2010年奪冠，此后不足8個月，就被日本的超級計算機“京”超越。

  所以人們不禁要問：對天河二號來說，第一名的大旗能扛多久？

  大多數(shù)專家認為，因為領(lǐng)先第二名太多，天河二號的冠軍稱號應(yīng)該至少能保持一年，沒準還能維持到2015年。內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)、存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié)、最大運行功耗17.8兆瓦的天河二號，與第二名（也是前冠軍）的美國“泰坦”相比，持續(xù)計算速度約是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比則相當。
中國科學(xué)院超級計算中心主任遲學(xué)斌的統(tǒng)計表明，最近10年，美國超級計算機性能提升了500倍，中國超級計算機性能則提升了5000倍。這意味著中國超算的發(fā)展速度和發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)進入世界領(lǐng)先行列。

  3年中兩度研發(fā)出全球速度最快的超級計算機，短短十幾年里擁有超級計算機的數(shù)量從零躍居世界第二，這個成績顯示了中國科技實力的巨大進步。不過美國仍是超級計算機運用最為廣泛的國家，因為超級計算機500強中，有超過一半屬于美國。日本、歐洲也實力強勁，今后的國際競爭將會非常激烈。

  過去30年，高性能計算機發(fā)展驚人，其性能每10年提高1000倍。如今，一臺個人掌上電腦Ipad2的速度，就相當于1985年的超級計算機世界冠軍Cray2。超級計算機的發(fā)展速度甚至超過了廣為人知的摩爾定律。（見鏈接2）

  未來的超級計算機將是什么模樣？在一些科幻小說及電影中，人們已經(jīng)設(shè)想了更高級的超級計算機，例如將全球電腦融為一體的超級電腦。但現(xiàn)實中的競爭如此激烈，理想中的合作是否可能？

  科學(xué)家們對此表示了樂觀的態(tài)度，李楠就從中看到了合作機遇。他說，將來的超級計算機技術(shù)越來越復(fù)雜，編程、能耗等眾多問題非一國科學(xué)家能夠解決，所需資金也會是一個龐大的數(shù)字。更重要的是，氣候、能源、生命科學(xué)、宇宙科學(xué)等關(guān)系人類未來命運的全球性問題，離不開全球性的解決方案，離不開全球科學(xué)家協(xié)同創(chuàng)新。

  目前，國家超級計算天津中心已與歐盟相關(guān)研究機構(gòu)聯(lián)合開展基于天河一號核心技術(shù)的并行計算技術(shù)研究。李楠認為，未來應(yīng)該建立國際性的超算中心作為共同應(yīng)對挑戰(zhàn)的平臺。“集中全球智慧發(fā)展高性能計算是人類長遠發(fā)展的需要，也是我們中國計算機科學(xué)家的愿望。我相信這一天不會太遠。”

  美國工程院院士、超級計算機Top500主持人之一杰克•唐加拉也認為，在工程資金競爭激烈的情況下，一些國家難以承擔超級計算機的巨額費用，聯(lián)合各國共同研制計算機，將使各方受益。

  摩爾定律：

   我們從廣義上將摩爾定律表述為計算機芯片的性能每18個月翻一番。看看Top500榜單的變化你會發(fā)現(xiàn)，超級計算機的性能其實是每14個月就增加一倍，比摩爾定律預(yù)言的更快。這是計算機采用了并行處理的結(jié)果。

   超級計算機到底能算啥？

   顧名思義，超級計算機，最強大的就是它們的超級計算力。可是超級計算機到底能算啥？

   哈勃望遠鏡看不到億萬年前的太空，計算機能算出來。實驗無法預(yù)知未來氣候，計算機能算出來。海嘯來襲速度極快，但美國科學(xué)家最近在超級計算機上發(fā)現(xiàn)了海嘯和地震聲波的關(guān)系，可以通過探測聲波提前預(yù)警。超級計算機能算出這些關(guān)系人類未來生存和發(fā)展的大科學(xué)問題，這就是超算發(fā)展的根本驅(qū)動力。

  “超級計算機是高度復(fù)雜的科學(xué)構(gòu)體，就像能夠預(yù)知未來的水晶球。”杰克•唐加拉說，“未來氣候變化、星系撞擊、藥物設(shè)計，這一切都可以在計算機上進行模擬。高性能計算讓我們能夠更深入地觀察問題，解析度和結(jié)果的逼真度更高，當然，求得結(jié)果的速度也更快。比如天氣預(yù)報。如果計算機很慢，要想知道明天天氣怎樣，也許得24個小時。那么運算就失去意義了——24小時后你完全可以朝窗外看看天氣怎樣即可。因此，我們要求計算機速度快、求解精確，這兩項指標都得靠高性能運算。”

  從天河二號與此前超級計算機的對比，我們也能看到超級計算機的性能進步對解決實際問題的影響。用于科研：回溯地球上的氣候變遷歷史，天河一號可以模擬2000年前的變化，天河二號則可以模擬到5000年前甚至更遠。用于藝術(shù)：電影《阿凡達》動漫渲染制作耗時一年多完成，如果用天河二號，僅用１個月就可完成。用于工業(yè)：傳統(tǒng)手段研發(fā)新車要經(jīng)過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3到5次實車碰撞、兩個月即可實現(xiàn)。

  事實上，想用天河二號做算術(shù)題的用戶已經(jīng)排上了大隊。天河二號將作為廣州超級計算中心的主機，在2013年下半年安裝交付。而國家超級計算天津中心主任劉光明透露，天河二號研制成功后，很多天津中心天河一號的老用戶已經(jīng)迫不及待地提出對天河二號的使用申請。

  超算是一種能力，這種能力可能用于各個方面。只要發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立數(shù)理模型、寫出應(yīng)用軟件，就能把超級計算機的計算能力轉(zhuǎn)化為具體成果。超級計算機到底能算啥？那要看你能教它算啥。