超算 “跑出”中国速度

高性能计算是解决国家发展面临的重大挑战性问题的有效手段,是国家创新体系的重要组成部分,其战略性、探索性、引领性特征决定了它在国家发展中的特殊地位。党的十八大以来,习近平总书记提出“四个全面”和“五位一体”等重要发展战略,对科技创新提出更高要求,也为我国在高性能计算方面实现超常发展提供了坚强的后盾。我国自主研制的高性能计算机系统性能世界第一,国家高性能计算环境的资源能力和服务水平居世界领先行列,自主研发的高性能计算应用软件在多个应用领域得到实际使用,取得显著的应用实效。

这些成绩的取得,无不归功于我国科技工作者敢于攀登世界科技高峰的勇气和脚踏实地的实干精神,归功于产学研用的结合和多学科协作,更归功于国家科技计划的前瞻部署和长期支持。“十年磨一剑”在我国高性能计算的发展历程中得到了生动体现。

我国“863计划”在高性能计算方面的努力始于上一世纪90年代初。1990年,“863计划”智能计算机系统主题将研究重点从智能计算机转变为并行计算机,相继研制成功曙光一号、曙光1000、曙光2000、曙光3000等高性能计算机。1998年,该主题又将研究重点从研制单台高性能计算机,转向支持高性能计算基础设施的构建,以使用户能更便捷地获得高性能计算的能力。1999年至2000年,通过重大课题的实施,我国建立起国家高性能计算环境的雏形。

进入21世纪,科技部在高性能计算方向连续部署实施了三个“863计划”重大项目。这些项目始终坚持高效能计算机、高性能计算服务环境和高性能计算应用三位一体、均衡发展的战略。以高效能计算机提供基础计算资源,以服务环境实现资源共享,降低应用门槛,以应用的发展促进机器和环境的技术进步。

2002年至2005年实施的“高性能计算机及其核心软件”重大专项,基于可扩展集群技术,研制成功每秒5.3万亿次的“联想深腾6800”和每秒11.2 万亿次的“曙光4000A”高性能计算机。该专项提出以网格技术实现网上计算资源的共享,自主研发了网格系统软件,构建了具有18万亿次共享计算能力、200TB共享存储能力和100多个共享软件的中国国家网格,形成了国家级高性能计算环境试验床。

2006年至2010年实施的“高效能计算机及网格服务环境”重大项目,突出了计算机的高效能,即在性能以外强调程序开发效率、程序可移植性和系统鲁棒性(鲁棒是Robust的音译,意为健壮、强壮,是系统在异常和危险情况下生存的关键——编者注)。提出了异构混合和基于多核处理器两种体系结构,研制成功“天河一号”“曙光6000”和“神威蓝光”三台千万亿次计算机,提前10年实现国家中长期科技发展纲要规定的目标。“天河一号”采用异构体系结构和自主研发的高性能互连网络,峰值速度4700万亿次,首次在世界超级计算机排行榜上位居第一。“神威蓝光”全部采用国产16核处理器实现,是我国高性能计算机发展史上的里程碑。该重大项目还强调国家高性能计算环境的服务特性,提出了网格和云计算相结合的环境应用新模式,构造了既有网格分布异构资源聚合能力,又有云计算按需使用商业运营模式的领域应用社区,发展了按需定制的服务模式、按需付费的交易模式和按需调配的管理模式。在新一版环境服务软件支持下,国家高性能计算环境的资源能力和服务水平得到了很大提高,使我国国家级超级计算基础设施进入世界领先行列。

2011年起实施的“高效能计算机及应用服务环境”重大项目,研制成功每秒12.5亿亿次的“神威太湖之光”和每秒5.5亿亿次的“天河二号”两台高性能计算机。自2013年起,这两个系统连续9次在世界超级计算机排行榜上排名第一,目前仍然是世界上最快的两台计算机。2015年初,美国对我国高性能计算机研制所需的高端处理器实行禁运。在这个背景下,“神威太湖之光”采用自主研发的申威众核处理器实现了性能世界第一,有力回应了美国对我国的封锁。“神威太湖之光”的高计算密度,紧凑的体积以及高效的水冷技术得到国际权威计算机专家的高度评价。在国家高性能计算环境建设方面,该重大项目强调了环境对应用的有效支持和环境运营的新模式与新机制,不断探索环境可持续发展的途径。

在上述“863”重大项目支持下,基于国产超级计算机和国家高性能计算环境,我国高性能计算应用也得到长足的发展。研发了一批大型并行应用软件,支撑了大飞机研发、高速列车设计、石油勘探、新药发现、集合气象预报、汽车研发、流体机械节能优化设计、电磁环境计算、生物信息等众多领域的应用,推动了科技创新,产生了显著的经济效益。

随着高性能计算应用的普及和推广,我国并行计算的技术水平快速提高,从本世纪初的数十处理器核并行,发展到今天的千万处理器核并行,形成了一批可有效利用百万处理器核进行数值模拟的应用实例。成功研制了世界首个具备千万核扩展能力的全隐式模拟软件,部署于“神威太湖之光”超级计算机,应用于非静力大气动力学模拟。该成果在激烈竞争中脱颖而出,获2016年度国际高性能计算应用最高奖—“戈登•贝尔奖”(Gordon Bell Prize),实现了我国在该奖项上29年来零的突破。

十八大以来,为了保持和发扬我国在高性能计算方面的优势,科技部启动了十三五“高性能计算”重点研发专项,设置了E级高性能计算机系统研制、高性能计算应用软件研发和高性能计算环境研发等三项研发任务。除了要研制世界领先的百亿亿次级高性能计算机外,还要研发一批关键领域/行业的高性能计算应用软件,建立国家级高性能计算应用软件研发中心,形成面向国产处理器的高性能计算应用生态环境。同时,通过建立具有世界一流资源能力和服务水平的国家高性能计算环境,以不断推进我国计算服务业的发展。

(作者钱德沛,系北京航空航天大学教授、“十三五”高性能计算重点研发专项总体组组长)

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责任编辑:马嘉悦
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