陳左寧

超級計算機的價值，除了對計算機科學(xué)本身的貢獻以外，更重要的是在超級計算機的支撐下解決了重大科學(xué)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，促進了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，超級計算為解決國家經(jīng)濟建設(shè)、科學(xué)進步、國家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問題提供了不可替代的重要手段。

20世紀(jì)以來，科學(xué)計算、科學(xué)實驗和理論研究一起成為研究世界的三大支柱。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)計算對超級計算機的能力提出了越來越高的需求，超級計算機為解決國家經(jīng)濟建設(shè)、科學(xué)進步、國家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問題提供了不可替代的重要手段。

中國的超級計算機

“十一五”“十二五”期間，我國通過部署多種國家級科技項目和資助計劃來推動中國高性能計算能力的提升，成功研制出多臺超級計算機，逐步形成了具有一定規(guī)模的國家級高性能計算服務(wù)環(huán)境，支撐了一批重大領(lǐng)域應(yīng)用。國家“863計劃”支持的“神威”“天河”“曙光”等超級計算機進入了世界領(lǐng)先行列。

“神威·太湖之光”超級計算機系統(tǒng)由科技部“863計劃”的“高效能計算機研制”重大項目支持，國家并行計算機工程技術(shù)研究中心承研，于2015年12月完成系統(tǒng)研制，落戶國家超級計算無錫中心。該系統(tǒng)是世界上首臺峰值運行速度超過十億億次（125PFlops）的超級計算機，也是我國第一臺全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的世界第一的超級計算機，引領(lǐng)全球超級計算機邁入十億億次時代。

基于“神威·太湖之光”整機系統(tǒng)的大氣、海洋和材料領(lǐng)域的三個應(yīng)用入圍2016年國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎——戈登·貝爾獎提名，其中大氣領(lǐng)域的“千萬核可擴展大氣動力學(xué)全隱式模擬器”應(yīng)用最終摘取2016年度戈登·貝爾獎，系中國團隊30年來首次入圍并獲獎，打破西方發(fā)達國家壟斷。

中國的獲獎引起了世界關(guān)注，美國《華爾街日報》網(wǎng)站報道：“神威·太湖之光”的研制成功，以及中國系統(tǒng)保有量首次超越美國，標(biāo)志著中國已經(jīng)在高性能計算領(lǐng)域的競爭中超越了美國。同時，明確提出美國需要加大力度投資高性能計算，重新奪回在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

超級計算機的價值，除了對計算機科學(xué)本身的貢獻以外，更重要的是在超級計算機的支撐下解決了重大科學(xué)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，促進了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，超級計算為解決國家經(jīng)濟建設(shè)、科學(xué)進步、國家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問題提供了不可替代的重要手段。

超級計算機應(yīng)用需求

傳統(tǒng)的超級計算機的應(yīng)用領(lǐng)域是“高、精、尖”的前沿科學(xué)和工程研究領(lǐng)域，主要包括石油勘探、天氣氣候、海洋科學(xué)、航空航天、核爆模擬、武器研制、信息安全等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)計算密度有很高的要求，這里的計算密度指的是系統(tǒng)在一定體積和面積內(nèi)的計算能力，這也是網(wǎng)格計算和云計算等大量分布式計算不能完全代替超級計算的原因。超級計算機在新興領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，如人工智能、深度學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥、基因工程、動漫渲染、過程控制、數(shù)據(jù)挖掘、金融分析、公共服務(wù)等。人工智能中的深度學(xué)習(xí)也屬計算密集型應(yīng)用，與傳統(tǒng)數(shù)值模擬應(yīng)用不同，該類問題對單處理器的計算能力和網(wǎng)絡(luò)性能需求更高。

當(dāng)前的實際復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)向著多時空尺度、強非線性耦合和三維真實構(gòu)型的方向發(fā)展，包含著大量多尺度多模型的計算問題，存在多粒度、多維度、多層次的并行性，面臨著全系統(tǒng)、全物理過程、真三維、自然尺度的計算模擬，對計算機的能力提出更高要求。在城市高分辨率空氣污染數(shù)值模擬中，基于“神威·太湖之光”計算機系統(tǒng)，采用基于非結(jié)構(gòu)有限元方法和全隱全耦合非線性系統(tǒng)求解算法，完成了深圳市地王大廈周邊（網(wǎng)格分辨率達1米）大氣環(huán)境及空氣污染大規(guī)模并行瞬態(tài)模擬，常規(guī)模擬時間從1周縮短為5小時。在新藥研發(fā)領(lǐng)域，上海藥物所開展的藥物虛擬篩選和疾病機理研究，實現(xiàn)了虛擬篩選大規(guī)模運行，使用“神威·太湖之光”系統(tǒng)的32768個處理器在7分24秒內(nèi)完成451萬個化合物分子和寨卡病毒蛋白的對接任務(wù)，是世界上速度最快的高通量藥物虛擬篩選系統(tǒng)。

國內(nèi)外E級計算規(guī)劃

發(fā)展E級計算機，是實際應(yīng)用計算精度的需求和計算能力的體現(xiàn)。超級計算機的發(fā)展，已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略層面的部署。E級計算，是指每秒完成10的18次方的浮點計算。

中國的“神威·太湖之光”建成之后，特別是中國連續(xù)8屆居于TOP500領(lǐng)先位置，加劇了各國超級計算機的競爭。美國將E級計算上升為國家戰(zhàn)略，奧巴馬總統(tǒng)于2015年8月簽署行政命令，要求加快E級計算機的研發(fā)進度，以保持世界領(lǐng)導(dǎo)地位。美國能源部先后啟動了多個研究計劃，投資10～14億美元，期待在2022年能夠提供能效比達50GF/W的E級系統(tǒng)。日本在2013年由文部科學(xué)省啟動了E級超級計算機計劃“post K”，這是京速計算機的后繼，預(yù)計2020年完成研發(fā)，擬投資13.8億美元，由Fujitsu、Hitachi和NEC負(fù)責(zé)系統(tǒng)構(gòu)建，安裝在日本理化研究所，系統(tǒng)能效達30-50GF/W。

我國科技部于2016年年初也啟動了下一代E級計算機的研制計劃，支持國家并行計算機工程技術(shù)研究中心、國防科大、曙光公司3家單位在2018年6月完成E級系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)突破，并采用國產(chǎn)核心器件構(gòu)建小規(guī)模的原型系統(tǒng)?？萍疾繉υ拖到y(tǒng)進行測評后根據(jù)情況支持一到兩家進行E級系統(tǒng)建設(shè)，預(yù)計在2018年啟動，2020年前后完成。

回看美國的研究計劃，他們首先研制一臺具有新型先進體系結(jié)構(gòu)的原型系統(tǒng)，目前該體系結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容仍在保密狀態(tài)，很可能不是經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)；2022年交付一套達到50GFlops/W能效比的E級系統(tǒng)；達到E級計算能力之后，很有可能在此基礎(chǔ)上研發(fā)出計算能力更高的超級計算機。反觀我國的情況，雖然我們現(xiàn)在的指標(biāo)看起來很高，但很可能的情況是我們的超級計算機技術(shù)發(fā)展已經(jīng)面臨天花板問題，現(xiàn)有技術(shù)只能勉強支撐做到E級系統(tǒng)，繼續(xù)升級可能會遇到極大困難。因此我們沒有理由盲目樂觀，美國的發(fā)展戰(zhàn)略更值得我們觀察和思考。

建造E級計算機，我國在主要技術(shù)方面依然面臨重大的挑戰(zhàn)。首先是功耗墻問題?！吧裢ぬ狻钡南到y(tǒng)能效比約為6GFlops/W，未來構(gòu)建E級系統(tǒng)能效比需達到30GFlops/W，差距非常大，目前從工藝角度改變能效收益的程度越來越有限，功耗問題越來越突出。其次是可靠性問題?？煽啃灾饕蕾噯涡酒目煽啃?，隨著集成電路的變化，單芯片的失效率越來越高，對整機穩(wěn)定性的影響非常大，美國能源部認(rèn)為E量級系統(tǒng)平均無故障時間小于兩個小時，而兩個小時并不足以完成一個大規(guī)模的計算任務(wù)。最后是應(yīng)用效率和可編程性問題。在應(yīng)用問題計算中，應(yīng)用問題本身的算法已經(jīng)非常復(fù)雜，程序調(diào)試和調(diào)優(yōu)難度更大，而E級計算規(guī)模下算法本身很可能因為計算量的增加而失穩(wěn)。此外在實際工程應(yīng)用領(lǐng)域，工程問題需要考慮能夠獲取的工程條件和時間進度要求，這也對軟件提出更高的要求。

E級超級計算時代即將到來，國內(nèi)同行要開展全方位合作，在國產(chǎn)處理器、體系結(jié)構(gòu)、軟件和應(yīng)用方面做出更多更精彩的創(chuàng)新成果，為我國的崛起和騰飛作出更大的貢獻！