來源：經(jīng)濟(jì)日報(bào) 

    “天河二號”是國防科大承擔(dān)完成的國家863計(jì)劃和“核高基”國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目，2013年11月在國家超算廣州中心投入運(yùn)行，向國內(nèi)外用戶開放使用。目前，“天河二號”已構(gòu)建起材料科學(xué)與工程計(jì)算、生物計(jì)算與個(gè)性化醫(yī)療、全數(shù)字設(shè)計(jì)與裝備制造、能源及相關(guān)技術(shù)數(shù)字化設(shè)計(jì)、地球科學(xué)與環(huán)境工程計(jì)算、智慧城市與大數(shù)據(jù)處理等六大應(yīng)用服務(wù)平臺，先后在基因分析與測序、大型飛機(jī)和高速列車設(shè)計(jì)、生物醫(yī)藥、電子政務(wù)及智慧城市等方面發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

    在2014年11月20日召開的世界超級計(jì)算機(jī)大會上，“天河二號”在國際TOP500組織首次正式發(fā)布的超級計(jì)算機(jī)高性能共軛梯度（HPCG）基準(zhǔn)測試排行榜上，位居世界第一。此前，由該組織發(fā)布的第四十四屆世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜中，“天河二號”再次位居榜首，獲得世界超算“四連冠”。近日，《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》記者采訪了“天河二號”研究團(tuán)隊(duì)相關(guān)人員、國家超算天津中心負(fù)責(zé)人，以探尋國之重器“天河二號”背后的故事。

    超算之巔的角逐

    四捧冠軍獎(jiǎng)杯，對于中國超算團(tuán)隊(duì)而言，無疑是一件令人歡欣鼓舞的大喜事，然而對其他老牌超算強(qiáng)國來說，他們的心里像打翻了調(diào)味瓶，五味雜陳。強(qiáng)手“叫板”也隨之而來，就在這次世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單發(fā)布前夕，排位第二的美國公布了“珊瑚”計(jì)劃，表示將投資3.25億美元建造兩臺超級計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度有可能達(dá)到“天河二號”的3到5倍。

    “在超算領(lǐng)域，國際競爭由來已久，在‘天河一號’奪冠之前，美日之間的‘第一之爭’早已存在。”天河高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師朱小謙說。中國計(jì)算機(jī)學(xué)會高性能計(jì)算專業(yè)委員會秘書長張?jiān)迫嬖V記者，“美日特別在意其超算是否世界第一，一旦失去‘第一’稱號，都會迫不及待地奪回來。”實(shí)際情況也的確如此，“天河一號”在2010年底首次奪冠后，遭遇福島核事故的日本仍然緊急撥款加快其超級計(jì)算機(jī)“京”的研制，用半年時(shí)間登上了冠軍寶座，隨后美國的“紅杉”和“泰坦”又先后搶得世界第一的位置。

    “你方唱罷，我登場”，冠軍的寶座常常不等捂熱，就被新的競爭對手奪去。人們不禁要問，如此激烈的競爭到底是為了什么？

    回答這個(gè)問題還得從超級計(jì)算機(jī)能做什么說起。記者日前來到國家超算天津中心采訪，這里運(yùn)行著我國首臺千萬億次超級計(jì)算機(jī)——“天河一號”。投運(yùn)近5年來，“天河一號”以其超強(qiáng)的計(jì)算能力、精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果贏得了眾多用戶的青睞。目前中心每天運(yùn)營的計(jì)算任務(wù)超過1000個(gè)、提供計(jì)算服務(wù)機(jī)時(shí)140萬小時(shí)、服務(wù)用戶數(shù)已超過600家。“‘天河一號’的魅力，通俗講是能算天、算地、算人。”國家超算天津中心主任劉光明說。

    算天：“大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的研究員利用“天河一號”完成了跨越千年氣候變化模擬，并利用自主開發(fā)的氣候模式向聯(lián)合國氣候變化大會提交了IPCC報(bào)告。國家超算天津中心研究員孟祥飛說，“自從中國科學(xué)家用‘天河一號’建立了氣候變化模型，中國不僅拿出了自己的氣候影響依據(jù)，而且建立的模型還成為國際公認(rèn)的模型標(biāo)準(zhǔn)，為中國在這一領(lǐng)域贏得了話語權(quán)。”

    算地：基于“天河一號”開展的高性能石油勘探數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)與應(yīng)用，解決了我國石油勘探領(lǐng)域自主應(yīng)用軟件的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力問題，使我國大連片、高密度石油勘探地震數(shù)據(jù)處理能力提升50倍以上，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

    算人：分析人類基因，解讀生命奧秘，如今都離不開大數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理。中科院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京生命科學(xué)研究所等單位利用“天河一號”開展了抗擊癲癇、艾滋病、癌癥等領(lǐng)域研究，取得了一批具有國際先進(jìn)水平的成果。

    “‘天河一號’不僅為科學(xué)研究、科技創(chuàng)新提供了一個(gè)更高的支點(diǎn)，更是給產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一條更快更好的跑道。”劉光明說。正是有了“天河一號”的支撐，我國部分產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的核心競爭力正在構(gòu)建。

    無論是模擬氣候變化，還是演示地震海嘯；無論是設(shè)計(jì)航空航天飛行器，還是研制國產(chǎn)新型發(fā)動機(jī)；或者是基因測序、高速列車設(shè)計(jì)制造，超級計(jì)算機(jī)都能夠完成分析、計(jì)算和處理。“超級計(jì)算機(jī)就像能夠預(yù)知未來的水晶球，一切都可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。”美國田納西大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)教授杰克·唐加拉說，“超級計(jì)算機(jī)越快，計(jì)算結(jié)果越精確，意味著工程師能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品，大到飛機(jī)和輪船，小到藥品和服裝面料。”

    從“銀河”到“天河”

    “高性能計(jì)算機(jī)是名副其實(shí)的‘國之重器’，其研制與應(yīng)用水平不僅代表國家的科技發(fā)展水平，更是國家在創(chuàng)新創(chuàng)造和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中塑造核心競爭力的關(guān)鍵武器。”國家863計(jì)劃高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件重大專項(xiàng)總體組組長錢德沛如是評價(jià)。

    正因?yàn)槿绱耍覈売?jì)算機(jī)的研發(fā)一開始就遭到了國外的嚴(yán)密封鎖。

    有兩件事雖然過去很多年，卻總是被“天河人”提起——

    改革開放前，我國由于沒有國際先進(jìn)水平的高性能計(jì)算機(jī)，勘探的石油礦藏?cái)?shù)據(jù)和資料不得不用飛機(jī)送到國外去處理，不僅費(fèi)用昂貴，而且受制于人；國內(nèi)一家單位想進(jìn)口一臺運(yùn)算速度每秒400萬次的計(jì)算機(jī)，外方居然提出：要為這臺機(jī)器建一個(gè)安全“玻璃房子”，中方人員上機(jī)操作，必須在外方監(jiān)控下進(jìn)行，不得開展合同以外的研究。

    往事歷歷在目，始終激勵(lì)“天河人”奮勇拼搏，向世界超算的“珠穆朗瑪峰”攀登。

    “中國要搞四個(gè)現(xiàn)代化，不能沒有巨型計(jì)算機(jī)！”1978年，鄧小平同志高瞻遠(yuǎn)矚，把研制巨型計(jì)算機(jī)的任務(wù)交給國防科技大學(xué)。國防科大的一大批科技人員，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)巨型機(jī)技術(shù)奮力攻關(guān)，僅用5年時(shí)間就研制出我國第一臺被譽(yù)為“爭氣機(jī)”的億次巨型計(jì)算機(jī)。1983年11月，“銀河”億次巨型計(jì)算機(jī)展現(xiàn)在世人面前，實(shí)現(xiàn)了我國巨型機(jī)零的突破。此后，他們又相繼研制出“銀河”系列巨型機(jī)，將我國超級計(jì)算技術(shù)一步步推向國際前沿。

    跨入新世紀(jì)，“天河人”吹響了攀登世界科技高峰的集結(jié)號——早日研制出我國的千萬億次超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。“巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展規(guī)律是每10年性能提高1000倍。2000年的國際先進(jìn)水平是1萬億次，到2010年肯定會達(dá)到千萬億次級。要占領(lǐng)制高點(diǎn)，必須盡快開始研制千萬億次計(jì)算機(jī)。”當(dāng)時(shí)的“天河一號”總設(shè)計(jì)師、現(xiàn)任國防科大校長楊學(xué)軍說。

    這一步是不是跨得太大？不少人有疑問，但國家戰(zhàn)略不容等待。

    重?fù)?dān)又壓在“天河人”的肩上。血液里流淌著“銀河精神”的“天河人”再一次迎難而上。回憶起當(dāng)時(shí)的情景，職業(yè)生涯與中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展史幾乎“同齡”，曾參與我國銀河—Ⅱ、銀河—Ⅲ研制的劉光明感慨地說，“確實(shí)非常不容易。”

    每一項(xiàng)技術(shù)的背后，都是超常的付出：僅僅為了將網(wǎng)絡(luò)互連軟件的性能參數(shù)調(diào)整到適應(yīng)硬件的最佳狀態(tài)，在3個(gè)月里，“天河人”進(jìn)行了上億次測試實(shí)驗(yàn)。他們幾乎是每天工作十幾個(gè)小時(shí)，全年僅春節(jié)期間休息3天。而對這一切，作為“天河二號”主機(jī)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師的蔣句平認(rèn)為再平常不過。當(dāng)記者請他講講過去攻堅(jiān)克難的故事，蔣句平卻一時(shí)語塞，想不起來。“億萬星辰匯銀河，世人難知有幾多。神機(jī)妙算巧安排，笑向繁星任高歌。”也許只有凌晨三四點(diǎn)還依舊燈火通明的“天河樓”能告訴我們這一切。

    付出的汗水有了收獲。2010年11月，“天河一號”問鼎世界第一；兩年半后，2013年6月，“天河二號”摘取世界冠軍，峰值計(jì)算速度也從每秒4.7千萬億次躍升到每秒5.49億億次，實(shí)現(xiàn)由千萬億次級到億億次級的跨越。

    從“銀河”到“天河”，從“天河一號”到“天河二號”，“天河創(chuàng)新”團(tuán)隊(duì)為了完成國家使命，以超前的眼光逐夢“超算”世界，交出了一份份精彩答卷。

    蔣句平告訴記者，目前“天河”團(tuán)隊(duì)的平均年齡不到40歲。曾經(jīng)參與“天河一號”研制的年輕技術(shù)人員，如今已成長為“天河二號”研制的骨干力量，一代代“天河人”接力前行，成為支撐我國未來高性能計(jì)算的脊梁。

    獨(dú)辟蹊徑求突破

    中國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展無疑給世界帶來了無數(shù)驚嘆。

    3年多時(shí)間里，兩次研發(fā)出全球速度最快的超級計(jì)算機(jī)；短短十幾年里擁有超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量，從零躍居世界第二；最近10年，中國超級計(jì)算機(jī)性能提升了5000倍，而同期美國超級計(jì)算機(jī)性能只提升了500倍……

    是什么造就了中國超級計(jì)算機(jī)的跨越式發(fā)展？錢德沛說，銀河、天河系列之所以取得如此驕人的業(yè)績，得益于一系列重大技術(shù)的自主創(chuàng)新，也清楚地表明了中國科技實(shí)力的巨大進(jìn)步。

    超級計(jì)算機(jī)是集成數(shù)以萬計(jì)CPU的龐然大物。按傳統(tǒng)的方法，提高超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可以是增加處理器數(shù)量，也可以是增加CPU核數(shù)。蔣句平告訴記者，“傳統(tǒng)的方法難以為繼，增加CPU數(shù)主要受到功耗、占地面積、系統(tǒng)可靠性方面的限制。”據(jù)介紹，按傳統(tǒng)方法構(gòu)建一臺每秒百億億次超級計(jì)算機(jī)，需要占地1.3萬平方米，將近兩個(gè)足球場那么大；需要用電320兆瓦，相當(dāng)于一個(gè)大中型城市的用電量。

    很顯然，按照傳統(tǒng)方案根本行不通，首先必須解決機(jī)器規(guī)模增長帶來的一系列煩惱與挑戰(zhàn)：如何降低功耗，節(jié)省能源？怎么提高密度，節(jié)省機(jī)房空間？如何突破內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)I/O的瓶頸，補(bǔ)足系統(tǒng)的短板？如何優(yōu)化并行軟件的開發(fā)，提高效率，保證數(shù)據(jù)一致性？

    再難也要上，時(shí)任“天河一號”總設(shè)計(jì)師楊學(xué)軍決定帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，在世界上率先采用CPU+GPU異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，利用GPU加速通用應(yīng)用程序運(yùn)行。幾年來，這種結(jié)構(gòu)因其低能耗、低成本、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成了國際主流。

    在“天河”團(tuán)隊(duì)的全體努力下，類似的自主創(chuàng)新成果一個(gè)接一個(gè)。如今，“天河二號”的多項(xiàng)自主關(guān)鍵技術(shù)令世界矚目：“新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”大幅度提高了系統(tǒng)的計(jì)算速度；高速互連系統(tǒng)性能是當(dāng)前國際商用互連系統(tǒng)的兩倍，綜合化能耗控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)了國際先進(jìn)的能效比；自主研制出當(dāng)前國內(nèi)主頻最高的新一代高性能通用“飛騰—1500”CPU，有力支撐了高吞吐率和高安全的信息服務(wù)類應(yīng)用；高密度、高精度組裝結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的占地面積與“天河一號”相當(dāng)、性能卻提升了11.6倍……

    “可以說，如今中國超算系統(tǒng)的整體研制能力已處于國際前列，體系結(jié)構(gòu)等部分技術(shù)已領(lǐng)先國際水平。”朱小謙說。從局部突破到綜合技術(shù)領(lǐng)先，從奮力追趕到逐步超越，世界超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展史上已留下“中國創(chuàng)造”的深深印記。

    因?yàn)橛辛艘幌盗凶灾鲃?chuàng)新成果，中國的超級計(jì)算機(jī)科研工作者在世界同行中贏得尊重。劉光明至今仍清楚地記得，過去要參觀國外超算公司、參加國外超算學(xué)術(shù)會議非常困難。即使有幸參加，中方人員的行程都會被跟蹤，看了什么，問了什么，都會被記錄上報(bào)。如今，主動邀請代替了百般拒絕，熱情相擁代替了冷淡對待。歐盟第七框架科研計(jì)劃與“天河一號”合作項(xiàng)目顧問、德國于利希超級計(jì)算中心教授BerndMohr表示，中國在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富，歐盟希望通過這一合作，對未來高性能計(jì)算發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)和參考。

    “當(dāng)然，我國超算領(lǐng)域也有短板。”錢德沛告訴記者，最大短板在于應(yīng)用，軟件方面與國際先進(jìn)水平還有很大差距，希望國家把超級計(jì)算機(jī)作為關(guān)系國家長遠(yuǎn)發(fā)展的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)支持，讓超級計(jì)算機(jī)這一“國之重器”更好地發(fā)揮作用。