文│蘇光陸

“天河一號”：中國計算機研制的里程碑

文│蘇光陸

2009年10月29日,中國國防科技大學成功研制出峰值性能為每秒1206萬億次的“天河一號”超級計算機，使中國成為繼美國之后，全世界第二個研制成功千萬億次超級計算機的國家。消息傳出，世界為之矚目，尤其是計算機領(lǐng)域的專家，他們無不坦言，“天河一號”的問世，必將加速中國科技水平的整體提升，為中國早一天成為科技大國創(chuàng)造了條件。

超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機，是世界公認的高新技術(shù)制高點和21世紀最重要的科學領(lǐng)域之一。

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境控制、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域已經(jīng)對千萬億次甚至更高性能的計算機提出了現(xiàn)實需求。因為在現(xiàn)代科學發(fā)展中，計算已經(jīng)成為與理論和實驗并行的第三大引擎。作為我國高技術(shù)研發(fā)計劃的一個重大項目——“天河一號”，是在中國國防科技大學“銀河”系列超級計算機的基礎(chǔ)上，僅用一年多時間便研制完成的。

可喜成果

每秒鐘1206萬億次的峰值速度和每秒563.1萬億次的Lihpack實測性能是什么概念？這個速度意味著，用“天河一號”計算一天，相當于一臺當前主流微機運算160年。它的存儲量則相當于4個藏書量為2700萬冊的國家國書館，能夠為全中國每人儲存一張大小接近1mb的照片。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，“天河一號”的顯著特點是：

——低能耗。能效是每瓦電創(chuàng)造的計算效能，“天河一號”目前的能效為每瓦電運算4.3億次，與2009年6月世界排名第一的美國“走鵑”的能效相當。在全球綠色超級計算機前500強的排名中，“天河一號”位居第五。

——高安全?！疤旌右惶枴睂崿F(xiàn)了不同用戶間數(shù)據(jù)和工作信息的相互隔離。對用戶來說，相當于到銀行租個保險柜，鑰匙掌控在自己手里。

——易使用?！吧倒匣钡牟僮鹘缑婧筒藛巍⑹髽说瘸Ｒ?guī)操作，讓機器的使用變得更簡單。同時，作為一臺國際通用的標準化超級計算機，“天河一號”能運行來自各行業(yè)的各種程序，不存在兼容性問題。

作為國家超級計算天津中心的業(yè)務(wù)主機，這臺計算機將部署在天津濱海新區(qū)，面向國內(nèi)外用戶提供高性能計算服務(wù)，向全社會開放。最可喜的是直接參與“天河一號”研發(fā)的科技人員有200多人，平均年齡僅為36歲，中國計算機研發(fā)隊伍的年輕化，可見一斑。

重要意義

與百姓生活最密切相關(guān)，須臾不可離開超級計算機計算的是天氣預(yù)報和生物制藥。目前世界最高水平的天氣預(yù)報是8天，我國為5~6天。但對于中長期預(yù)報特別是氣候預(yù)報來說，目前世界上的超級計算機仍然是無法滿足需求的，因為天氣預(yù)報的計算需要10的18次方也就是每秒百萬萬億次的速度。世界上一個公認的說法是，天氣預(yù)報時效每增加一天，氣象和計算機界需要努力10年。

過去每研制一種新藥，從化合物篩選到臨床試驗，一般需要10~15年的時間。使用超級計算機，以計算機模擬的手段，科學家可以在較短的時間內(nèi)從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物，不僅節(jié)省了真實購買化合物的大量資金，而且大大縮短了藥物的研發(fā)周期。

此外，石油勘探、汽車安全性的碰撞實驗和集成電路設(shè)計，無不需要借助超級計算機幫助。波音飛機的外形設(shè)計過去一個型號要在風洞做3年的實驗，現(xiàn)在運用超級計算機后，設(shè)計周期縮短到了6個月。金融產(chǎn)品投資運用超級計算機計算是否盈利，能精確到幾分幾秒出手……

難點聚焦

首先，在體系結(jié)構(gòu)方面。一臺計算機從百萬億次到千萬億次的躍升并不只是一個簡單的數(shù)字上的變化，而需要在其體系結(jié)構(gòu)上進行大量的創(chuàng)新和調(diào)整?！叭绻瓉硎?0個人來完成某項工作，現(xiàn)在就相當于要有100個甚至1000個人來完成一項工作。每個人的工作怎么分配、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個人的工作效率就比100個人高。要解決這些問題，就需要設(shè)計出一套讓這數(shù)千個部件可以和諧互聯(lián)的體系。

其次，是如何應(yīng)對錯誤。“天河一號”有一萬余個部件，從科學角度來講，故障是不可避免的，這就需要設(shè)計出一套機制來保證某個部件的錯誤不至于影響到整個系統(tǒng)的運作。此外,還必須盡快找到并排除錯誤。

最后,就是解決能耗問題。巨型計算機的能耗極大，即使是效能已經(jīng)很高的“天河一號”，每小時的耗電量也達到1280千瓦。美國科學家曾經(jīng)說過:“如果不解決能耗問題，那么巨型計算機就只能和核電站建在一起了。”而美國就打算把未來的巨型計算機建在海邊，因為核電站需要用海水來為核反應(yīng)堆降溫。

未來展望

超級計算機性能的發(fā)展遵循千倍定律，即每隔10年性能就會提高1000倍，而實際上發(fā)展的速度可能會更快。

如果只使用當前的技術(shù)是無法研制出百萬萬億次計算機的?？茖W家預(yù)測，10的18次方級別計算機芯片之間應(yīng)采用光互連。而研制10的21次方級別計算機將是20年后的事情，目前的半導(dǎo)體技術(shù)尚不能支撐，或許會采用納電子技術(shù)，再往后或許將產(chǎn)生量子計算技術(shù)。

據(jù)中國計算機專家預(yù)測，在未來超級計算機發(fā)展中，混合的架構(gòu)將成為主流。但這種混合架構(gòu)的計算機編程十分復(fù)雜，需開發(fā)更多的軟件。在未來超級計算研制中，峰值速度其實只是性能的一個方面，可靠性、易用性、互聯(lián)通信、能耗等問題將更加突出。百萬萬億次計算機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超級計算機使用。

參加“2009年全國高性能計算機學術(shù)年會”的科學家對超級計算機的發(fā)展持積極樂觀態(tài)度，認為用不了十年時間，世界上將研制出運算速度超過每秒百萬萬億次（即10的18次方）的超級計算機。這個速度是目前世界上最快計算機的1000倍。

科學家的理由是，一些重大的科學研究，例如氣候預(yù)報和災(zāi)害性天氣預(yù)報以及飛行器的空氣動力學計算等，都需要這個量級的計算。而迫切的現(xiàn)實需要，正是促進超級計算機研發(fā)的最好動力。

實踐證明，人類對于高性能計算機的需求是沒有止境的。這其中每一個臺階都需要從基礎(chǔ)理論到實踐技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)的重大創(chuàng)新和跨越。

很多看似遙遠或根本不可能的事情，就是因為社會現(xiàn)實的急切需求，再堅固的科學堡壘也都被科學家相繼攻克了。超級計算機自然也不會例外。