中国超算,问鼎世界之巅

2018-12-18 00:00:00来源: 科技日报 作者: 本报记者 高 博

“天河三号”E级原型机

本报记者 高 博

要论当今“计算力”最强的国家,唯有中美两国够格。改革开放以来,中国极其重视超级计算机研发,水平不断攀升。如今,中国常常占据世界超级计算机榜单的“头把交椅”,“Made in China”的超算机数量也遥遥领先其他国家。“银河”“天河”“神威”“曙光”成了传奇。

打破“玻璃房子”,开启逆袭之路

中国的计算机事业起步不算太晚。1958年中国就有了第一台数字电子计算机。到了上世纪70年代,天气预报、模拟风洞、地震计算、航空航天设计等各领域的需求都指向了高性能计算机,但当时最强的计算机产自美国。1976年,美国率先实现每秒1亿次计算的机器,中国差了两个数量级。

超级计算机可以用于模拟核试验,可以处理卫星图片,也可以用于解密码。在飞行器设计中它也至关重要,因为很多情况不能实测,只能计算模拟。因而美国对出口超级计算机十分谨慎。

在中国超算的发展历史上,上世纪80年代的一件事经常被人提起:当时,中国石油工业部物探局重金购买了一台IBM大型机,但机器要放在不得随便入内的玻璃房子里,方便美国24小时监控,监控日志要定期交美国审查,计算机的启动密码和机房钥匙也要由美国控制。

改革开放后,中国开始研发超级计算机。或许是由于“玻璃房子”事件的刺激,中国在这一行业的进步极其迅猛。

1983年12月,我国第一台每秒钟运算达1亿次以上的计算机——“银河”研制成功。紧追美日之后,中国开始了超算世界的征程。

“银河二号”“银河三号”“银河四号”接踵而来,算力从每秒1亿次上升到1万亿次。中国也成为少数能发布5至7天中期数值天气预报的国家之一。中国在1992年还研制成功“曙光一号”超级计算机,开辟另一序列。

曾参与“曙光”系列超算机研发的历军表示,“玻璃房子”的故事激励了一代中国计算机科研人员,为了摘掉这个耻辱的帽子,他们发奋图强,开发自己的超级计算机。

历军说:“我印象特别深,我们这些科研人员,每天没日没夜地干,把计算机当成自己的孩子,付出自己全部的心血。我们花了近20年时间,终于摆脱了困境。现在中国的超级计算机性能已在全球处于数一数二位置,而且在全球的超级计算机排行榜上,中国拥有的计算能力也在逐年提高。”

登上王座,连冠超算舞台

“银河”和“曙光”系列虽然成功,但由于它们都属于向量型计算机,有一些限制依然无法突破。并行型计算机则被看作是发展方向,于是中国开始研发“神威”超级计算机,于1999年成功。另外,2002年,联想集团成功研发“深腾”。至此,中国最重要的四个系列超算机都登上了历史舞台。

2005年,中国超算机突破10万亿次/秒;2010年,“天河一号A”代表中国第一次登上了全球超级计算机榜首,但优势地位转瞬即逝;2013年“天河二号”称霸榜首,接着在半年一次的世界超算机排名战中,来了个六联冠。

但美国媒体曾报道:尽管上榜的多数超级计算机来自美国之外,多数实际上都使用了美国的技术,例如来自英特尔、AMD和英伟达的处理器。

在这一背景下,超算崛起的同时,中国也没有耽误研制用于超算的CPU。2015年,美国宣布对中国超算机禁运英特尔CPU,然而一年多后,中国人完全自研的“申威26010”CPU就犀利反击——四万多个申威CPU支撑的“神威·太湖之光”夺得世界超算榜首。

接着,“神威”来了个“四连冠”。也就是说,从2013年到2017年,超算巅峰始终被中国占据。不仅如此,2016年度的“戈登·贝尔”奖,被授予“神威·太湖之光”上运行的全球大气非静力云分辨模拟应用,我国高性能计算应用成果在该奖项上实现了零的突破。机器大踏步前进,应用水平也在慢慢跟上。

然而,竞争依然充满悬念,2018年6月,美国超算机夺回失落已久的宝座,并在11月摘得冠军。

但中国优势仍然明显:全球前500台超算机中,中国占227台,美国为109台。中国企业生产了最多的上榜机器:联想以140台名列冠军,浪潮以84台名列亚军,中科曙光以57台为季军,华为制造14台列第八。

清华大学教授、国家超算无锡中心主任杨广文告诉科技日报记者,中国近些年在研发超级计算机的过程中取得了非常好的成绩。中国的大型计算机在欧洲等地设置销售网络和测试中心,并打开北美市场;中国的高性能计算机应用领域已经覆盖互联网大数据、工程计算、工业仿真、气象海洋、生命科学、石油物探等领域,正接到越来越多的用户订单。

下一个高地,E级计算机

如今,国际超算界的注意力,已转向了下一个高地:百亿亿次级计算机,也叫E级计算机。中、美、欧、日都在向这一目标冲刺。

为了抢占先机,中国业已将百亿亿次(E级)超级计算机及其技术的研制写进了“十三五”规划,以期在2020年前后达成该项宏伟的计划。自2016年起,“十三五”规划中的高性能计算专题便已启动,国防科技大学、中科曙光和江南计算技术研究所同时开展E级超级计算原型系统的研制,拟通过赛马机制推动国产自主E级超算系统发展,使中国超级计算机今后能在全球继续保持领先。

2017年初,中国的百亿亿次超级计算机开始研发原型机。2018年5月,“天河三号”原型机公布,成为全球最先发布的同类机器;8月,“神威”E级超级计算机原型机发布;曙光也发布了原型机。中国的“三驾马车”领跑全球。

根据公布的信息,这三款原型机的CPU、架构和冷却等技术各不相同。估计在2020年到2022年间,中国的E级机很可能问世。而美国计划安装在阿贡国家实验室的E级超算机也在加紧研制,计划2021年建成。

超级计算机另一个重要指标是耗能。有专家指出,按照目前超算机的水准,随着超算机用于各个方面,总有一天需电量会超过发电量。

美国和日本在节能上做得比较好,而中国超算机也在趋向于高效。两台由中科曙光开发的超算机,进入了按能效排名的“绿色超算”前10名。而联想公司的水冷技术比传统气冷技术节电45%,已应用在全球前十的超级计算机上。超导计算机也成为中国科研人员感兴趣的方向。

探索原子核与黑洞的奥秘、模拟化学反应过程以及制药、设计桥梁、勘探石油……支撑各行各业的是永不止步的算力升级。在超算应用比较多的制造业和基础科研等领域,美国等国的大部分应用软件还占有绝对的优势。超算软件开发的周期动辄需要二三十年,要经历科学问题建模、网格划分、求解数学方程、算法设计、运行验证等一系列流程,还牵涉到多种学科,因此也是中国超级计算机事业无可回避的下一个挑战。

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责任编辑:符雪苑