透视中国超级计算机首个“世界冠军”

新华社记者白瑞雪、余晓洁、周润健

    “从‘人有我无’的奋力追赶到今天登上世界超级计算技术巅峰，３０年磨一剑，我们几代人‘超算’人的梦想终于成真。”中国首台千万亿次计算机“天河一号”夺得第３６届世界超级计算机５００强排行榜“冠军”之际，国防科技大学校长张育林说。

　　作为“天河一号”的研制方，这所大学怎样为中国超级计算机铺就了登峰之路？一年内性能从世界第五到世界第一，“中国速度”怎样实现飞跃？“天河一号”将为中国产业发展和国际超级计算业界带来什么样的变化？

　　“用中国人的方法造出千万亿次计算机”

　　每秒４７０１万亿次的峰值速度和每秒２５６６万亿次的实测速度，这是“天河一号”的“夺冠”成绩。从２００９年９月诞生至今，“天河”的这两项速度分别提高了２．８９倍和３．５５倍。

　　在短短一年里，“天河一号”完成了一系列重大技术升级与综合优化，在大规模集成电路芯片、结点机、操作系统、编译系统等关键技术上成功升级，在基于高阶路由的高速互联通信、高性能虚拟计算域等方面取得新的突破，达到世界领先水平。

　　“研制一期系统的时候，我们并没有把‘十八般武艺’都用上。”“天河一号”常务副总设计师、国防科大计算机学院院长廖湘科说，“一期系统的主要任务是体系验证，看看用我们中国人的方法能不能造出一个可用的千万亿次机器。”

　　２００６年出台的国家８６３计划“高效能计算机及网格服务环境”项目，制定了“先研制两台百万亿次机、再研制一台千万亿次机”的“两步走”战略。几乎是在中国著名计算机制造商曙光和联想公司开始研制“曙光５０００Ａ”和“深腾７０００”百万亿次机的同时，国防科大启动了千万亿次超级计算机的技术预研。

　　从十万亿次到百万亿次是量的变化，千万亿次则到了质的变化，这是业界的共识。但，究竟采用一条什么样的不同于此前所有机器的技术路线？对于这一研制超级计算机的基础，业界意见不一。

　　在没有先例可循的路上艰难探索，国防科大人为“天河一号”设计出“ｃｐｕ加ｇｐｕ异构融合体系”。这是中国人独创的体系结构，是一条世界上全新的技术路线。

　　一年过去，因其低能耗、低成本、高集成度等优点，这种在“天河一号”上得到成功实践的结构已经成为国际主流。“中国创造”不仅催生了“中国速度”，也提升了“世界速度”：在最新国际ｔｏｐ５００排行榜的前１０台计算机中，除了“天河一号”，中国的另一台千万亿次机“曙光星云”和位于第４名的日本Ｔｓｕｂａｍｅ超级计算机也采用了异构结构。而生产ｇｐｕ的美国厂商ＮＶＩＤＩＡ公司，也因此身价大涨。

　　“这条路上，中国人在拉着世界往前走。”中国科学院软件所研究员张云泉说。

　　“向自主可控进军的步伐永远不停”

　　美国田纳西大学计算机专家杰克·邓格拉指出，“天河”的互联芯片完全是中国自主制造的，并且中国已经在研制自己的ＣＰＵ了。

　　在国产化的道路上，“天河”人早已出发并且留下了坚实的足印。在使“天河一号”二期系统性能倍增的一系列新技术中，相当一部分来自国产。

　　随着国防科大自主研发的“飞腾１０００”ＣＰＵ装入二期系统，中国的超级计算机有了“中国芯”。

　　“一期系统使用国外进口ＣＰＵ，主要是出于研制进度和成本方面的考虑。”“天河一号”总设计师、国防科大副校长杨学军说，自主ＣＰＵ的成功研制和运用，为今后“天河”的全部国产化奠定了基础。

　　尽管目前的自主ＣＰＵ与世界先进水平还有差距，杨学军透露说，国防科大正在研发中的新一代芯片又有新的技术“绝活”，性能将显著提升。

　　“我们中国人要有志气，虽然不能一下子超过人家，可以一点点地做得更好，最终实现全面超越。这是个水滴石穿的积累过程。”“天河一号”工程办公室主任李楠说。

　　不同于其他超级计算机的“麒麟”操作系统，同样是“天河一号”的亮点。在中国超级计算机大多使用外国操作系统的境况下，这套由国防科大自主开发的操作系统以高安全性著称。

　　“大家使用‘天河一号’，就像到银行租个保险箱，钥匙和密码都在自己手上，其他用户甚至管理员都看不到。”“天河一号”主任设计师卢宇彤说。

　　卢宇彤同时表示，这套操作系统经过改造后完全可以用于个人电脑，而包括操作系统在内的自主产品，都有希望走向国际商业市场。

　　所有这些，指向中国超级计算机发展从起步时就清晰的一个目标：自主可控——只有拥有了自主可控的系统，才能不受制于人，才能确保信息安全。然而，这一领域的博弈到今天也没有结束。

　　这是中国超级计算机发展历程中并不陌生的一幕：中国一旦宣布成功研制某型计算机，西方立即会解除该型计算机的对华禁运，以此阻止中国的自主产品占领市场。

　　“无论市场如何变化，我们永远不会停止向自主可控进军的步伐。”张育林说。在２０１０年３月召开的“两会”上，作为全国人大代表的他提出了“大力打造自主可控信息系统”的建议。

　　“迈出这一步并不容易，做一个操作系统往往可能就需要上千人。舍不舍得花钱养这么多人，涉及国家战略。”国防科大原副校长齐治昌说，“中国只能走自主可控的路，越早走，越主动。”

 “天河使用起来毫不逊色”

　　国家超级计算天津中心７００多平方米的机房里，１４０个银灰色的机柜构成了“天河一号”二期。对于如此庞大的系统来说，稳定性尤为重要。

　　“几万个处理器集成在一个大计算机里工作，元器件固有的可靠性一定会随着数量的增加而下降。”李楠说。

　　如同所有刚刚“上路”的“新手”一样，“天河一号”也曾在试运行期间“状况”频频。

　　２０１０年７月，“磨合期”结束。在解决了各种“莫名其妙的问题”之后，系统正式上网投入使用。目前，“天河一号”已在石油勘探、高端装备制造、生物医药、动漫设计等方面为２０多家用户提供了超级计算服务。

　　“我们的天河是以云计算的方式把计算能力输送给各行各业，与全社会进行共享。用户终端小到笔记本、３ｇ手机，都可以通过互联网享受服务。”国家超级计算天津中心副主任朱小谦介绍说，“天河一号”目前的主要服务对象是天津地区的国家战略性新兴产业，将来既可以进行科学计算，还可以实现信息检索、在线储存等功能。

　　天津国际生物医药联合研究院，就是其中的一家客户。

　　研究院院长助理徐峰介绍说，研发一种新药，平均要耗时１０年，花费１０亿美元，筛选１０万个化合物，随之而来的还有初期巨额成本的投入。在“天河一号”上进行筛选仅一个星期，而普通计算机上需要运行一年。高性能计算机介入生物医药，将大幅度提高这个行业研发新药的效率，进而提升整个行业的水平，对医药行业产生革命性的影响。

　　最成功的应用案例，是中国科学院软件研究所完成的题目——“地球外核热流动数值模拟”。科学家们实现了此前从未尝试的６００亿未知数的超大计算规模的数值模拟，而目前国际上同类问题的模拟现状一般为数十亿未知数水平。

　　在为“天河一号”给出的使用报告上，中科院的科学家们热情洋溢地写道：“系统与ＩＢＭ蓝色基因等引以为傲的网络系统相比毫不逊色，结果达到了与世界同步的研究水平甚至有所超越。”

　　“能不能用好机器更重要”

　　４年前，当千万亿次超级计算机研发准备立项时，曾有过激烈的争论。

　　“一方面，我们能不能做出来？毕竟当时的技术水平是有限的。另一方面，即使做出来了，能不能用得上？因为当时也没有今天这么多的应用需求。”科技部高新技术与产业化司信息处处长强小哲回忆说。

　　然而，需求来得之快，超出了人们的预想。最繁忙时，“天河一号”全系统可用到８０％。对于超级计算机的资源使用率来说，这个数字相当可观。在最新的ＴＯＰ５００排行榜上，中国科学界欣喜地发现，中国以４１台机器的占有数量超过日本、法国、德国和英国，成为超级计算机的第二大使用国。

　　在建设创新型国家的进程中，超级计算机作为基础设施的作用日益凸现。能不能用好机器，成为一个比研制更重要的问题。

　　大型应用软件，是中国超级计算机事业的一块短板。

　　作为“天河一号”的研制方，国防科大还大力参与应用软件的开发。而这项工作的难度，并不小于机器的构建。

　　“软件不仅是技术，更是一种文化。Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的生态链非常丰富，为它开发软件的人很多，但我们的‘麒麟’系统还没有形成生态链。”廖湘科说。

　　他同时表示，“天河一号”虽然在运算速度上夺得世界第一，推广工作才刚刚起步，在应用方面赶超世界先进水平还有很长的路要走，在充分发挥系统并行计算能力、优化系统应用效率等方面同样面临许多挑战。

　　应对这些挑战的，是由２００多名国防科大科研人员组成的“天河”团队。

　　“世界信息领域格局并未改变”

　　早在新一届排行榜出炉的几个月前，关于“天河一号”即将夺冠的传言四起。

　　业界和媒体很久没有如此兴奋了。自１９９３年开始发布全球最快的５００台超级计算机名单以来，ｔｏｐ５００排行榜上的第一名、甚至前１０名几乎都没有悬念地是美国机器。

　　这项全世界最具权威的超级计算机“比赛”，是由德国曼海姆大学、美国田纳西大学、美国能源研究科学计算中心及劳伦斯伯克利国家实验室联合举办的。位居排行榜前列的系统代表着超级计算的顶尖水平，引导超级计算技术的发展，并在很大程度上显示一个国家信息领域的科技创新能力和综合实力。

　　尽管中国方面此前一直在谨慎等待最终结果的正式发布，“天河一号”早已是国际传媒的焦点。《华尔街日报》引用美国计算机专家的话说：“这台机器毫无疑问是高性能计算领域的游戏规则改变者，这是一个转折，标志着经济竞争力从西方转向东方。”美国总统奥巴马也多次在不同场合提到“中国有了世界上最快的超级计算机”。

　　西方的反应并不意外。但，“游戏规则”真的改变了吗？

　　“就整体优势而言，第一梯队仍然是美国，我们只能说在第二梯队中占据了领先地位。”强小哲说。

　　“天河一号”副总设计师胡庆丰认为，中国的整体系统已经走向世界领先，但就包括基础芯片研制在内的高性能计算机完整产业链而言，中国正在通过自主创新逐步缩小差距。

　　张育林对此表示：“西方国家在信息技术领域的优势地位没有改变，美国在超级计算机研制和应用上的主导地位没有改变，世界各国在超级计算机领域加大竞争的态势没有改变。”

李楠说：“我们的机器能否拿第一其实并不是最重要的，我们希望通过智力和市场上的作为，在引领世界超级计算机发展中作出自己的贡献。”