原標(biāo)題：“神威·太湖之光”神在何處？

制圖：潘旭濤

“申威26010”眾核處理器。

新華社記者 李 響攝

6月20日，德國法蘭克福國際超算大會(huì)（ISC）公布了新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單，由國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”運(yùn)算速度奪得世界第一。更令人振奮的是，這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括處理器在內(nèi)的所有核心部件全面國產(chǎn)化。

“神威·太湖之光”運(yùn)算速度究竟有多快？它可以在哪些方面大顯身手？核心部件的國產(chǎn)化意味著什么？國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用還需要在哪些方面不斷完善？本報(bào)記者帶您尋找答案。

1分鐘完成地球人32年計(jì)算

江蘇，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心。“神威·太湖之光”的機(jī)身就安放在一間約1000平方米的房間內(nèi)。它由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成，每個(gè)運(yùn)算機(jī)柜比家用的雙門冰箱略大。打開柜門，4塊由32塊運(yùn)算插件組成的超節(jié)點(diǎn)分布其中；每個(gè)插件由4個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板組成，一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板又含2塊“申威26010”高性能處理器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)機(jī)柜裝有1024塊處理器，整臺(tái)“神威·太湖之光”共有40960塊處理器。

這樣一個(gè)“龐然大物”的運(yùn)行速度究竟有多快？國際超算大會(huì)上傳來的數(shù)據(jù)顯示，“神威·太湖之光”系統(tǒng)的峰值性能為12.5億億次/秒，世界第一；持續(xù)性能為9.3億億次/秒，還是世界第一。

“簡單來說，這套系統(tǒng)1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年；如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個(gè)人臺(tái)式機(jī)作參照，‘太湖之光’相當(dāng)于200多萬臺(tái)普通電腦。”對(duì)此，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心主任楊廣文作了一個(gè)形象的比較。

“每一塊處理器相當(dāng)于20多臺(tái)常用筆記本電腦的計(jì)算能力，4萬多塊再組裝到一起，速度之快可想而知。”

據(jù)了解，在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，還有中國的“天河二號(hào)”、美國的“泰坦”與“紅杉”、日本的“京”、美國的“米拉”與“三一”、瑞士的“代恩特峰”、德國的“花尾榛雞”和沙特阿拉伯的“沙欣II”。但在運(yùn)算速度上，“神威·太湖之光”接近“天河二號(hào)”的3倍，美國“泰坦”的5倍，超過排名第二到第五的4臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的總和。

超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名發(fā)起人杰克·唐加拉表示，相比10年前中國只有28臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入世界500強(qiáng)榜單并且名列30名以外，“在超級(jí)計(jì)算機(jī)歷史上，中國進(jìn)步的速度和廣度前所未有。除了美國的領(lǐng)先地位被打破，中國的整體陣容也大大超越了其他國家。”

榜單上的成績證明了唐加拉的看法。因?yàn)椴粌H排在前兩名的計(jì)算機(jī)屬于中國，整個(gè)500強(qiáng)榜單里中國入榜的超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)量達(dá)到167臺(tái)，超過美國的165臺(tái)。

事實(shí)上，中國在1958年才剛剛開始在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的探索。從首臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)——103機(jī)到1983年成功研制“銀河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)，再到曙光系列、神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，中國在這一領(lǐng)域的發(fā)展越來越快，成果越來越多。

預(yù)測天氣檢查身體更加準(zhǔn)確

超級(jí)計(jì)算機(jī)為何需要拼速度？計(jì)算快能夠帶來更好的應(yīng)用嗎？

針對(duì)這一問題，中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院院長錢德沛表示，計(jì)算機(jī)速度越快，性能越好，那么在應(yīng)用過程中精準(zhǔn)度就會(huì)越高，提升了檢測和預(yù)判的準(zhǔn)確性。

比如在預(yù)測天氣方面，近年來準(zhǔn)確度的提升就離不開超級(jí)計(jì)算機(jī)的功勞。北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院王蘭寧教授表示，下不下雨關(guān)鍵看云層運(yùn)動(dòng)，在沒有超算之前，觀測云層的精度是按照經(jīng)緯度。有了超算之后，就可對(duì)云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬與觀測。

2011年，他在天津的“天河一號(hào)”上實(shí)現(xiàn)了觀測精度10萬公里的目標(biāo)；隨后，他又在“神威藍(lán)光”實(shí)現(xiàn)了1萬公里精度；今年，他在“神威·太湖之光”上實(shí)現(xiàn)了9公里精度。如今，他又在向著3公里精度努力。

更值得一提的是，“神威·太湖之光”系統(tǒng)可以在30天內(nèi)完成未來100年的地球氣候模擬，這在之前是不可想象的。有專家表示，以往過去2到3小時(shí)才能發(fā)出的海嘯預(yù)警，現(xiàn)在最快十幾分鐘就可以完成。

除了預(yù)測天氣，還有更多接地氣的事情倚仗超級(jí)計(jì)算機(jī)來解決。

建一棟樓對(duì)周邊的環(huán)境到底有什么影響？如何建設(shè)風(fēng)道便于污染物擴(kuò)散？中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國家超算無錫中心進(jìn)行的一項(xiàng)課題，就是深圳市污染物擴(kuò)散的模擬。通過超算模擬，可以根據(jù)目前污染物的情況，計(jì)算出未來一段時(shí)間的大氣污染物濃度和分布，進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

“現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)倒推排查究竟是哪個(gè)排放點(diǎn)導(dǎo)致了某次大氣污染，未來將能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)小區(qū)、每個(gè)居民點(diǎn)空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。”中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳榮亮說。

而在醫(yī)療方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠通過掃描真人的血管系統(tǒng)，運(yùn)用3D建模技術(shù)建立動(dòng)脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)整個(gè)人體的動(dòng)脈系統(tǒng)。陳榮亮近日便用“神威·太湖之光”對(duì)人體血流進(jìn)行了模擬與分析。

“過去，對(duì)一個(gè)可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進(jìn)行支架手術(shù)，一般都會(huì)通過從大腿動(dòng)脈處放進(jìn)測壓導(dǎo)絲進(jìn)行測量，這種方式既危險(xiǎn)又痛苦。如今，經(jīng)過模擬計(jì)算，只要血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)小于0.8，就要做手術(shù)。”陳榮亮說。

此外，錢德沛表示，不論是在石油勘探、生物信息、新藥創(chuàng)新、材料化工，還是環(huán)境科學(xué)、船舶工程、航空航天設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)都可以發(fā)揮作用。

從技術(shù)受制于人到自立自強(qiáng)

與此前“天河二號(hào)”使用的是英特爾至強(qiáng)處理器和Xeon Phi協(xié)處理器不同，“神威·太湖之光”首次使用的是“中國芯”。這塊“中國芯”就是5厘米見方的薄塊“申威26010”，它集成了260個(gè)運(yùn)算核心，數(shù)十億晶體管，達(dá)到了每秒3萬多億次計(jì)算能力；單芯片計(jì)算能力相當(dāng)于3臺(tái)2000年全球排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“如果沒有堅(jiān)持完全自主生態(tài)，沒有‘搞十幾年不行，再搞十幾年’的勁頭，不可能有今天核心指標(biāo)齊頭并進(jìn)的神威。”國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心副主任梁軍說。

許多超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的中國專家都難以忘記這樣一段屈辱的歷史：30年前，中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)用戶有一個(gè)神秘的“玻璃房”——美國人把一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)賣給中國，用不透明的玻璃包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，中國技術(shù)人員沒有授權(quán)不得入內(nèi)。

王蘭寧教授至今記得這個(gè)中國土地上的“技術(shù)飛地”。“全國只有幾個(gè)有授權(quán)的科學(xué)家能夠進(jìn)入玻璃房，而且是在美國人的監(jiān)視下。一旦程序運(yùn)行完，機(jī)器立即被鎖回玻璃房。那個(gè)所謂的超算速度，在今天看來充其量是一臺(tái)高性能電腦，但對(duì)于當(dāng)時(shí)的中國來說，卻是一個(gè)難以企及的高峰。”

上世紀(jì)80年代，我國已逐步邁入獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國家之列，但卻因核心處理器等關(guān)鍵部件與技術(shù)的短板只能受制于人，直接導(dǎo)致了我國雖是國外超級(jí)計(jì)算機(jī)“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價(jià)權(quán)”。2015年4月，美國政府更是宣布，把與超級(jí)計(jì)算機(jī)相關(guān)的4家中國機(jī)構(gòu)列入限制出口名單。

如今，“中國芯”“申威26010”成了我國自主研發(fā)打破30年技術(shù)封鎖的一柄利器。

普及應(yīng)用還需完善配套措施

“雖然中國在處理器的研制上取得了突破，但我們并非掌握了所有核心技術(shù)，依然任重道遠(yuǎn)。”談及中國超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的未來時(shí)，錢德沛這樣認(rèn)為，目前與“中國芯”的超級(jí)計(jì)算機(jī)配套的其他硬件及軟件系統(tǒng)國產(chǎn)化程度還需提升，這對(duì)將來的推廣應(yīng)用有很大影響。

國家并行計(jì)算中心的相關(guān)科研人員表示，雖然中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展取得了很大成果，但其中需要解決的技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常多，以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達(dá)到15兆瓦時(shí)，相當(dāng)于3個(gè)清華大學(xué)的用電量。以現(xiàn)有技術(shù)即使能夠?qū)崿F(xiàn)百億億次，其能源消耗恐怕也承受不起。

關(guān)于應(yīng)用方面的問題，中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心研究員張鑒表示，我國利用超算系統(tǒng)解決問題的能力長期不足，相關(guān)商業(yè)應(yīng)用軟件仍為國外壟斷，在軟件研制、應(yīng)用開發(fā)和人才培養(yǎng)方面還有待進(jìn)一步提高。將“制好”優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“用好”優(yōu)勢，才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級(jí)的帶動(dòng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)經(jīng)費(fèi)中用于開發(fā)應(yīng)用軟件的尚不足10%，而在美國占比多達(dá)30%以上。超級(jí)計(jì)算機(jī)未能充分投入商用，將造成巨大的資源浪費(fèi)。2014年4月“天河二號(hào)”試運(yùn)行對(duì)外開放期間，只有120家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)選擇試用，許多商用飛機(jī)公司寧可使用陳舊過時(shí)的計(jì)算平臺(tái)也不愿意采納新技術(shù)。

“事實(shí)上對(duì)企業(yè)來說，運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)解決問題是一種更‘省錢’的辦法，而不是增加成本的方式。”錢德沛告訴記者，相比于用超級(jí)計(jì)算機(jī)建立模擬系統(tǒng)、運(yùn)用數(shù)據(jù)分析，建造普通實(shí)驗(yàn)室、實(shí)體裝備來做檢測的花費(fèi)要更高。但因?yàn)楫?dāng)下許多企業(yè)缺少懂超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的人才，也沒有開發(fā)與之相匹配的軟件，因而在原本“事半功倍”的新設(shè)備、新技術(shù)面前望而卻步。

“應(yīng)用是超級(jí)計(jì)算的核心牽引，所有硬件和軟件的發(fā)展目的都是為了解決應(yīng)用中的問題。”國家超算無錫中心副主任付昊桓表示，下一步，他們將圍繞“神威·太湖之光”進(jìn)一步移植優(yōu)化相關(guān)軟件，使其發(fā)揮更大效用。

“未來這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)將在4個(gè)方向發(fā)揮作用：首先是全球高分辨率模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎(chǔ)；其次是先進(jìn)制造，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)將助力“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國創(chuàng)造”；第三個(gè)方向是生命科學(xué)，為研發(fā)新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個(gè)方向是大數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用需求和算法的發(fā)展將不斷推動(dòng)超級(jí)計(jì)算機(jī)跑得更快、更強(qiáng)。”

《 人民日?qǐng)?bào)海外版 》（ 2016年06月28日 第 09 版）