肖利民 阮利 沈潤(rùn)楠

“超級(jí)計(jì)算”一詞，首次出現(xiàn)在1929 年美國(guó)《紐約世界報(bào)》的“IBM 為哥倫比亞大學(xué)建造大型報(bào)表機(jī)”新聞報(bào)道中?！俺?jí)計(jì)算機(jī)”是指具有極快運(yùn)算速度、極大存儲(chǔ)容量、極高通信帶寬的有“超級(jí)計(jì)算”能力的計(jì)算機(jī)，它可以解決石油勘探、工業(yè)設(shè)計(jì)、氣象預(yù)報(bào)、地震預(yù)測(cè)、新藥研發(fā)、武器模擬、基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技創(chuàng)新、社會(huì)進(jìn)步、國(guó)防建設(shè)具有重要意義。超級(jí)計(jì)算機(jī)是國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，因此被列為“國(guó)之重器”。全球超算TOP500 和中國(guó)HPC TOP100 分別維護(hù)著世界和中國(guó)速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)性能排名榜單，是超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的晴雨表。

無(wú)所不在的“國(guó)之重器”

作為“國(guó)之重器”，超級(jí)計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)用于高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，我們?nèi)粘Ｋ坪醪怀Ｂ?tīng)到、不常見(jiàn)到它。但實(shí)際上，超級(jí)計(jì)算機(jī)一直與我們的工作、生活息息相關(guān)。

在科學(xué)研究中，超級(jí)計(jì)算機(jī)常被用于模擬和預(yù)測(cè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，幫助科學(xué)家更好地探索自然規(guī)律和人類(lèi)奧秘。比如，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在新一代“神威”超級(jí)計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用成果獲得首屆“ACM 戈登·貝爾氣候建模獎(jiǎng)”提名，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大算力支撐的火山噴發(fā)和大氣環(huán)流跨圈層模擬系統(tǒng)，成功捕捉到了火山爆發(fā)從沖擊波、地震、海嘯、蘑菇云到隨后6-7 天火山灰和水汽的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散特征， 初步獲得了火山、地質(zhì)和大氣全耦合的相互影響效應(yīng)。

在工程建設(shè)中，超級(jí)計(jì)算機(jī)被用于開(kāi)展工程結(jié)構(gòu)分析、模型仿真等，幫助人類(lèi)更好地理解和改造世界。比如，“神威·太湖之光”助力“天宮一號(hào)”空間站研制過(guò)程，開(kāi)展飛行器在復(fù)雜空間環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，模擬空間站的空間飛行狀態(tài)和大氣返回狀態(tài)，特別是回收時(shí)重入大氣的隕落飛行繞流情況，并配合大風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，為“天宮一號(hào)”的設(shè)計(jì)制造提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

在日常生活中， 氣象預(yù)報(bào)同樣離不開(kāi)超級(jí)計(jì)算機(jī)的支撐。我國(guó)自主研發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES 在超級(jí)計(jì)算機(jī)上晝夜不停地運(yùn)行，通過(guò)對(duì)地表大氣進(jìn)行網(wǎng)格化分割，在中國(guó)大地上劃分了近四百萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，分析地基和空基觀測(cè)的氣溫、氣壓、濕度等大氣數(shù)據(jù)，構(gòu)建大氣運(yùn)動(dòng)方程組，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)全國(guó)各地的天氣情況。

當(dāng)下，世界各國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。盡管我國(guó)已躋身超算強(qiáng)國(guó)之列，但發(fā)展之路并非坦途，從無(wú)到有、從受制于人到實(shí)現(xiàn)自主可控，可謂傳奇。

從零基礎(chǔ)到世界領(lǐng)先

超級(jí)計(jì)算機(jī)起源于20 世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的體積非常龐大，但性能卻十分有限。為解決更復(fù)雜的問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)了世界上第一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目，超級(jí)計(jì)算機(jī)的概念也隨20 世紀(jì)70 年代初的第一代向量計(jì)算機(jī)而逐漸成熟。1976 年，美國(guó)Cray 公司推出首臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)每秒2.5 億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，在世界掀起了研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的熱潮。

中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)自主研制始于1978 年。時(shí)年3 月，在全國(guó)科學(xué)大會(huì)上，鄧小平提出了“中國(guó)要搞四個(gè)現(xiàn)代化，不能沒(méi)有巨型機(jī)”，開(kāi)啟了我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的自主研制進(jìn)程。40 多年來(lái)，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持和引導(dǎo)下，國(guó)防科技大學(xué)的“銀河”“天河”系列、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所和曙光公司的“曙光”系列、聯(lián)想集團(tuán)的“深騰”系列及無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所的“神威”系列陸續(xù)研制成功。中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)事業(yè)逐步走向可與美日比肩的發(fā)展水平。

在挑戰(zhàn)中尋求發(fā)展

超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)界的“超人”，其“超能力”主要依賴(lài)于有超強(qiáng)計(jì)算能力的計(jì)算“心臟”（由大量高速計(jì)算結(jié)點(diǎn)構(gòu)成）、有超大存儲(chǔ)能力的存儲(chǔ)“大腦”（由大量高性能存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成）、有超快數(shù)據(jù)傳輸能力的網(wǎng)絡(luò)“血管”（由負(fù)責(zé)連通大量計(jì)算結(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)等的高速互連網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成）以及強(qiáng)大的輸入輸出設(shè)備“眼口”（由大量輸入輸出結(jié)點(diǎn)構(gòu)成）。同時(shí)，也依賴(lài)于各種超算軟件和中間件。超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力極其強(qiáng)大，舉例來(lái)說(shuō)，我們常用的個(gè)人電腦，運(yùn)算速度通常為每秒數(shù)萬(wàn)億至數(shù)十萬(wàn)億次，而“神威·太湖之光”的峰值性能可達(dá)每秒12.5 億億次，持續(xù)性能為每秒9.3 億億次。一臺(tái)“神威·太湖之光”的計(jì)算能力相當(dāng)于上萬(wàn)臺(tái)個(gè)人電腦之和。

當(dāng)然，僅靠堆砌足夠數(shù)量的個(gè)人電腦無(wú)法達(dá)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)算速度，因?yàn)槿鄙傧到y(tǒng)總體均衡設(shè)計(jì)及高速互連網(wǎng)和系統(tǒng)軟件等關(guān)鍵技術(shù)的加持?？梢?jiàn)，打造最強(qiáng)的超級(jí)“心臟”“大腦”“血管”“眼口”，是超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的關(guān)鍵。它的研制過(guò)程涉及計(jì)算芯片研制、各類(lèi)結(jié)點(diǎn)機(jī)研發(fā)、多種互連網(wǎng)研發(fā)、系統(tǒng)軟件研發(fā)及系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測(cè)試等諸多環(huán)節(jié)，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行與應(yīng)用過(guò)程中，系統(tǒng)功耗巨大，應(yīng)用編程復(fù)雜等問(wèn)題也很突出。

除了要克服各種科學(xué)和工程問(wèn)題外，我國(guó)還要應(yīng)對(duì)他國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)方面對(duì)我們的限制和打壓。盡管這給我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了阻礙，但也凝聚了共識(shí)——必須要突破核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超算產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控。

（ 作者單位： 北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院）