文│蘇光陸

“天河一號(hào)”：中國(guó)計(jì)算機(jī)研制的里程碑

文│蘇光陸

2009年10月29日,中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)成功研制出峰值性能為每秒1206萬(wàn)億次的“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，使中國(guó)成為繼美國(guó)之后，全世界第二個(gè)研制成功千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家。消息傳出，世界為之矚目，尤其是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專(zhuān)家，他們無(wú)不坦言，“天河一號(hào)”的問(wèn)世，必將加速中國(guó)科技水平的整體提升，為中國(guó)早一天成為科技大國(guó)創(chuàng)造了條件。

超級(jí)計(jì)算機(jī)又稱(chēng)高性能計(jì)算機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)，是世界公認(rèn)的高新技術(shù)制高點(diǎn)和21世紀(jì)最重要的科學(xué)領(lǐng)域之一。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境控制、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)千萬(wàn)億次甚至更高性能的計(jì)算機(jī)提出了現(xiàn)實(shí)需求。因?yàn)樵诂F(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中，計(jì)算已經(jīng)成為與理論和實(shí)驗(yàn)并行的第三大引擎。作為我國(guó)高技術(shù)研發(fā)計(jì)劃的一個(gè)重大項(xiàng)目——“天河一號(hào)”，是在中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)“銀河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，僅用一年多時(shí)間便研制完成的。

可喜成果

每秒鐘1206萬(wàn)億次的峰值速度和每秒563.1萬(wàn)億次的Lihpack實(shí)測(cè)性能是什么概念？這個(gè)速度意味著，用“天河一號(hào)”計(jì)算一天，相當(dāng)于一臺(tái)當(dāng)前主流微機(jī)運(yùn)算160年。它的存儲(chǔ)量則相當(dāng)于4個(gè)藏書(shū)量為2700萬(wàn)冊(cè)的國(guó)家國(guó)書(shū)館，能夠?yàn)槿袊?guó)每人儲(chǔ)存一張大小接近1mb的照片。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，“天河一號(hào)”的顯著特點(diǎn)是：

——低能耗。能效是每瓦電創(chuàng)造的計(jì)算效能，“天河一號(hào)”目前的能效為每瓦電運(yùn)算4.3億次，與2009年6月世界排名第一的美國(guó)“走鵑”的能效相當(dāng)。在全球綠色超級(jí)計(jì)算機(jī)前500強(qiáng)的排名中，“天河一號(hào)”位居第五。

——高安全?！疤旌右惶?hào)”實(shí)現(xiàn)了不同用戶(hù)間數(shù)據(jù)和工作信息的相互隔離。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于到銀行租個(gè)保險(xiǎn)柜，鑰匙掌控在自己手里。

——易使用?！吧倒匣钡牟僮鹘缑婧筒藛?、鼠標(biāo)等常規(guī)操作，讓機(jī)器的使用變得更簡(jiǎn)單。同時(shí)，作為一臺(tái)國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)化超級(jí)計(jì)算機(jī)，“天河一號(hào)”能運(yùn)行來(lái)自各行業(yè)的各種程序，不存在兼容性問(wèn)題。

作為國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心的業(yè)務(wù)主機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)將部署在天津?yàn)I海新區(qū)，面向國(guó)內(nèi)外用戶(hù)提供高性能計(jì)算服務(wù)，向全社會(huì)開(kāi)放。最可喜的是直接參與“天河一號(hào)”研發(fā)的科技人員有200多人，平均年齡僅為36歲，中國(guó)計(jì)算機(jī)研發(fā)隊(duì)伍的年輕化，可見(jiàn)一斑。

重要意義

與百姓生活最密切相關(guān)，須臾不可離開(kāi)超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算的是天氣預(yù)報(bào)和生物制藥。目前世界最高水平的天氣預(yù)報(bào)是8天，我國(guó)為5~6天。但對(duì)于中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)特別是氣候預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，目前世界上的超級(jí)計(jì)算機(jī)仍然是無(wú)法滿足需求的，因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)的計(jì)算需要10的18次方也就是每秒百萬(wàn)萬(wàn)億次的速度。世界上一個(gè)公認(rèn)的說(shuō)法是，天氣預(yù)報(bào)時(shí)效每增加一天，氣象和計(jì)算機(jī)界需要努力10年。

過(guò)去每研制一種新藥，從化合物篩選到臨床試驗(yàn)，一般需要10~15年的時(shí)間。使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，以計(jì)算機(jī)模擬的手段，科學(xué)家可以在較短的時(shí)間內(nèi)從幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)種化合物中篩選出有效的藥物化合物，不僅節(jié)省了真實(shí)購(gòu)買(mǎi)化合物的大量資金，而且大大縮短了藥物的研發(fā)周期。

此外，石油勘探、汽車(chē)安全性的碰撞實(shí)驗(yàn)和集成電路設(shè)計(jì)，無(wú)不需要借助超級(jí)計(jì)算機(jī)幫助。波音飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)過(guò)去一個(gè)型號(hào)要在風(fēng)洞做3年的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)后，設(shè)計(jì)周期縮短到了6個(gè)月。金融產(chǎn)品投資運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算是否盈利，能精確到幾分幾秒出手……

難點(diǎn)聚焦

首先，在體系結(jié)構(gòu)方面。一臺(tái)計(jì)算機(jī)從百萬(wàn)億次到千萬(wàn)億次的躍升并不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字上的變化，而需要在其體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大量的創(chuàng)新和調(diào)整?！叭绻瓉?lái)是10個(gè)人來(lái)完成某項(xiàng)工作，現(xiàn)在就相當(dāng)于要有100個(gè)甚至1000個(gè)人來(lái)完成一項(xiàng)工作。每個(gè)人的工作怎么分配、人與人之間如何分工合作、如何互聯(lián)協(xié)調(diào)就變得極其重要。否則，就很難保證1000個(gè)人的工作效率就比100個(gè)人高。要解決這些問(wèn)題，就需要設(shè)計(jì)出一套讓這數(shù)千個(gè)部件可以和諧互聯(lián)的體系。

其次，是如何應(yīng)對(duì)錯(cuò)誤?！疤旌右惶?hào)”有一萬(wàn)余個(gè)部件，從科學(xué)角度來(lái)講，故障是不可避免的，這就需要設(shè)計(jì)出一套機(jī)制來(lái)保證某個(gè)部件的錯(cuò)誤不至于影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。此外,還必須盡快找到并排除錯(cuò)誤。

最后,就是解決能耗問(wèn)題。巨型計(jì)算機(jī)的能耗極大，即使是效能已經(jīng)很高的“天河一號(hào)”，每小時(shí)的耗電量也達(dá)到1280千瓦。美國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“如果不解決能耗問(wèn)題，那么巨型計(jì)算機(jī)就只能和核電站建在一起了?！倍绹?guó)就打算把未來(lái)的巨型計(jì)算機(jī)建在海邊，因?yàn)楹穗娬拘枰煤Ｋ畞?lái)為核反應(yīng)堆降溫。

未來(lái)展望

超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的發(fā)展遵循千倍定律，即每隔10年性能就會(huì)提高1000倍，而實(shí)際上發(fā)展的速度可能會(huì)更快。

如果只使用當(dāng)前的技術(shù)是無(wú)法研制出百萬(wàn)萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)的?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，10的18次方級(jí)別計(jì)算機(jī)芯片之間應(yīng)采用光互連。而研制10的21次方級(jí)別計(jì)算機(jī)將是20年后的事情，目前的半導(dǎo)體技術(shù)尚不能支撐，或許會(huì)采用納電子技術(shù)，再往后或許將產(chǎn)生量子計(jì)算技術(shù)。

據(jù)中國(guó)計(jì)算機(jī)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展中，混合的架構(gòu)將成為主流。但這種混合架構(gòu)的計(jì)算機(jī)編程十分復(fù)雜，需開(kāi)發(fā)更多的軟件。在未來(lái)超級(jí)計(jì)算研制中，峰值速度其實(shí)只是性能的一個(gè)方面，可靠性、易用性、互聯(lián)通信、能耗等問(wèn)題將更加突出。百萬(wàn)萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)的功耗將為幾十兆瓦甚至幾百兆瓦，如果不采取有效的降低能耗措施，一座城市的供電都不夠一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)使用。

參加“2009年全國(guó)高性能計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)”的科學(xué)家對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展持積極樂(lè)觀態(tài)度，認(rèn)為用不了十年時(shí)間，世界上將研制出運(yùn)算速度超過(guò)每秒百萬(wàn)萬(wàn)億次（即10的18次方）的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這個(gè)速度是目前世界上最快計(jì)算機(jī)的1000倍。

科學(xué)家的理由是，一些重大的科學(xué)研究，例如氣候預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)以及飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算等，都需要這個(gè)量級(jí)的計(jì)算。而迫切的現(xiàn)實(shí)需要，正是促進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)的最好動(dòng)力。

實(shí)踐證明，人類(lèi)對(duì)于高性能計(jì)算機(jī)的需求是沒(méi)有止境的。這其中每一個(gè)臺(tái)階都需要從基礎(chǔ)理論到實(shí)踐技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)的重大創(chuàng)新和跨越。

很多看似遙遠(yuǎn)或根本不可能的事情，就是因?yàn)樯鐣?huì)現(xiàn)實(shí)的急切需求，再堅(jiān)固的科學(xué)堡壘也都被科學(xué)家相繼攻克了。超級(jí)計(jì)算機(jī)自然也不會(huì)例外。