超級計算機全球四連冠：天河二號背後故事
“天河二號”是國防科大承擔完成的國家863計劃和“核高基”國家科技重大專項項目,2013年11月在國家超算廣州中心投入運行,向國內外用户開放使用。目前,“天河二號”已構建起材料科學與工程計算、生物計算與個性化醫療、全數字設計與裝備製造、能源及相關技術數字化設計、地球科學與環境工程計算、 智慧城市與大數據處理等六大應用服務平台,先後在基因分析與測序、大型飛機和高速列車設計、生物醫藥、電子政務及智慧城市等方面發揮了重要作用,取得了顯 著的經濟效益和社會效益。
在2014年11月20日召開的世界超級計算機大會上,“天河二號”在國際TOP500組織首次正式發佈的超級計算機高性能共軛梯度(HPCG)基準測試排行榜上,位居世界第一。此前,由該組織發佈的第四十四屆世界超級計算機500強排行榜中,“天河二號”再次位居榜首,獲得世界超算“四連冠”。近日,《經濟日報》記者採訪了“天河二號”研究團隊相關人員、國家超算天津中心負責人,以探尋國之重器“天河二號”背後的故事。
超算之巔的角逐
四捧冠軍獎盃,對於中國超算團隊而言,無疑是一件令人歡欣鼓舞的大喜事,然而對其他老牌超算強國來説,他們的心裏像打翻了調味瓶,五味雜陳。強手“叫板”也隨之而來,就在這次世界超級計算機500強榜單發佈前夕,排位第二的美國公佈了“珊瑚”計劃,表示將投資3.25億美元建造兩台超級計算機,其運算速度有可能達到“天河二號”的3到5倍。
“在超算領域,國際競爭由來已久,在‘天河一號’奪冠之前,美日之間的‘第一之爭’早已存在。”天河高性能計算機系統副總設計師朱小謙説。中國計算機學會高性能計算專業委員會秘書長張雲泉告訴記者,“美日特別在意其超算是否世界第一,一旦失去‘第一’稱號,都會迫不及待地奪回來。”實際情況也的確如此,“天河一號”在2010年底首次奪冠後,遭遇福島核事故的日本仍然緊急撥款加快其超級計算機“京”的研製,用半年時間登上了冠軍寶座,隨後美國的“紅杉”和“泰坦”又先後搶得世界第一的位置。
“你方唱罷,我登場”,冠軍的寶座常常不等捂熱,就被新的競爭對手奪去。人們不禁要問,如此激烈的競爭到底是為了什麼?
回答這個問題還得從超級計算機能做什麼説起。記者日前來到國家超算天津中心採訪,這裏運行着我國首台千萬億次超級計算機—“天河一號”。投運近5年來,“天河一號”以其超強的計算能力、精準的計算結果贏得了眾多用户的青睞。目前中心每天運營的計算任務超過1000個、提供計算服務機時140萬小時、服務用户數已超過600家。“‘天河一號’的魅力,通俗講是能算天、算地、算人。”國家超算天津中心主任劉光明説。
算天:“大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室”的研究員利用“天河一號”完成了跨越千年氣候變化模擬,並利用自主開發的氣候模式向聯合國氣候變化大會提交了IPCC報告。國家超算天津中心研究員孟祥飛説,“自從中國科學家用‘天河一號’建立了氣候變化模型,中國不僅拿出了自己的氣候影響依據,而且建立的模型還成為國際公認的模型標準,為中國在這一領域贏得了話語權。”
算地:基於“天河一號”開展的高性能石油勘探數據處理軟件開發與應用,解決了我國石油勘探領域自主應用軟件的大規模數據處理能力問題,使我國大連片、高密度石油勘探地震數據處理能力提升50倍以上,達到世界領先水平。
算人:分析人類基因,解讀生命奧秘,如今都離不開大數據的計算和處理。中科院、軍事醫學科學院、北京生命科學研究所等單位利用“天河一號”開展了抗擊癲癇、艾滋病、癌症等領域研究,取得了一批具有國際先進水平的成果。
“‘天河一號’不僅為科學研究、科技創新提供了一個更高的支點,更是給產業發展提供了一條更快更好的跑道。”劉光明説。正是有了“天河一號”的支撐,我國部分產業領域的核心競爭力正在構建。
無論是模擬氣候變化,還是演示地震海嘯;無論是設計航空航天飛行器,還是研製國產新型發動機;或者是基因測序、高速列車設計製造,超級計算機都能夠完成分析、計算和處理。“超級計算機就像能夠預知未來的水晶球,一切都可以在計算機上進行模擬。”美國田納西大學計算機學教授傑克·唐加拉説,“超級計算機越快,計算結果越精確,意味着工程師能設計出更好的產品,大到飛機和輪船,小到藥品和服裝面料。”
從“銀河”到“天河”
“高性能計算機是名副其實的‘國之重器’,其研製與應用水平不僅代表國家的科技發展水平,更是國家在創新創造和經濟建設中塑造核心競爭力的關鍵武器。”國家863計劃高性能計算機及其核心軟件重大專項總體組組長錢德沛如是評價。
正因為如此,我國超級計算機的研發一開始就遭到了國外的嚴密封鎖。
有兩件事雖然過去很多年,卻總是被“天河人”提起—
改革開放前,我國由於沒有國際先進水平的高性能計算機,勘探的石油礦藏數據和資料不得不用飛機送到國外去處理,不僅費用昂貴,而且受制於人;國內一家單位想進口一台運算速度每秒400萬次的計算機,外方居然提出:要為這台機器建一個安全“玻璃房子”,中方人員上機操作,必須在外方監控下進行,不得開展合同以外的研究。
往事歷歷在目,始終激勵“天河人”奮勇拼搏,向世界超算的“珠穆朗瑪峯”攀登。
“中國要搞四個現代化,不能沒有巨型計算機!”1978年,鄧小平同志高瞻遠矚,把研製巨型計算機的任務交給國防科技大學。國防科大的一大批科技人員,瞄準世界先進巨型機技術奮力攻關,僅用5年時間就研製出我國第一台被譽為“爭氣機”的億次巨型計算機。1983年11月,“銀河”億次巨型計算機展現在世人面前,實現了我國巨型機零的突破。此後,他們又相繼研製出“銀河”系列巨型機,將我國超級計算技術一步步推向國際前沿。
跨入新世紀,“天河人”吹響了攀登世界科技高峯的集結號—早日研製出我國的千萬億次超級計算機系統。“巨型計算機的發展規律是每10年性能提高1000倍。2000年的國際先進水平是1萬億次,到2010年肯定會達到千萬億次級。要佔領制高點,必須儘快開始研製千萬億次計算機。”當時的“天河一號”總設計師、現任國防科大校長楊學軍説。
這一步是不是跨得太大?不少人有疑問,但國家戰略不容等待。
重擔又壓在“天河人”的肩上。血液裏流淌着“銀河精神”的“天河人”再一次迎難而上。回憶起當時的情景,職業生涯與中國超級計算機發展史幾乎“同齡”,曾參與我國銀河—Ⅱ、銀河—Ⅲ研製的劉光明感慨地説,“確實非常不容易。”
每一項技術的背後,都是超常的付出:僅僅為了將網絡互連軟件的性能參數調整到適應硬件的最佳狀態,在3個月裏,“天河人”進行了上億次測試實驗。他們幾乎是每天工作十幾個小時,全年僅春節期間休息3天。而對這一切,作為“天河二號”主機系統主任設計師的蔣句平認為再平常不過。當記者請他講講過去攻堅克難的故事,蔣句平卻一時語塞,想不起來。“億萬星辰匯銀河,世人難知有幾多。神機妙算巧安排,笑向繁星任高歌。”也許只有凌晨三四點還依舊燈火通明的“天河樓”能告訴我們這一切。
付出的汗水有了收穫。2010年11月,“天河一號”問鼎世界第一;兩年半後,2013年6月,“天河二號”摘取世界冠軍,峯值計算速度也從每秒4.7千萬億次躍升到每秒5.49億億次,實現由千萬億次級到億億次級的跨越。
從“銀河”到“天河”,從“天河一號”到“天河二號”,“天河創新”團隊為了完成國家使命,以超前的眼光逐夢“超算”世界,交出了一份份精彩答卷。
蔣句平告訴記者,目前“天河”團隊的平均年齡不到40歲。曾經參與“天河一號”研製的年輕技術人員,如今已成長為“天河二號”研製的骨幹力量,一代代“天河人”接力前行,成為支撐我國未來高性能計算的脊樑。
獨闢蹊徑求突破
中國超級計算機的發展無疑給世界帶來了無數驚歎。
3年多時間裏,兩次研發出全球速度最快的超級計算機;短短十幾年裏擁有超級計算機的數量,從零躍居世界第二;最近10年,中國超級計算機性能提升了5000倍,而同期美國超級計算機性能只提升了500倍……
是什麼造就了中國超級計算機的跨越式發展?錢德沛説,銀河、天河系列之所以取得如此驕人的業績,得益於一系列重大技術的自主創新,也清楚地表明瞭中國科技實力的巨大進步。
超級計算機是集成數以萬計CPU的龐然大物。按傳統的方法,提高超級計算機的運算速度可以是增加處理器數量,也可以是增加CPU核數。蔣句平告訴記者,“傳統的方法難以為繼,增加CPU數主要受到功耗、佔地面積、系統可靠性方面的限制。”據介紹,按傳統方法構建一台每秒百億億次超級計算機,需要佔地1.3萬平方米,將近兩個足球場那麼大;需要用電320兆瓦,相當於一個大中型城市的用電量。
很顯然,按照傳統方案根本行不通,首先必須解決機器規模增長帶來的一系列煩惱與挑戰:如何降低功耗,節省能源?怎麼提高密度,節省機房空間?如何突破內存和網絡I/O的瓶頸,補足系統的短板?如何優化並行軟件的開發,提高效率,保證數據一致性?
再難也要上,時任“天河一號”總設計師楊學軍決定帶領他的團隊,在世界上率先採用CPU+GPU異構融合體系結構,利用GPU加速通用應用程序運行。幾年來,這種結構因其低能耗、低成本、高集成度等優點,逐漸成了國際主流。
在“天河”團隊的全體努力下,類似的自主創新成果一個接一個。如今,“天河二號”的多項自主關鍵技術令世界矚目:“新型異構多態體系結構”大幅度提高了系統的計算速度;高速互連繫統性能是當前國際商用互連繫統的兩倍,綜合化能耗控制機制實現了國際先進的能效比;自主研製出當前國內主頻最高的新一代高性能通用“飛騰—1500”CPU,有力支撐了高吞吐率和高安全的信息服務類應用;高密度、高精度組裝結構使得系統的佔地面積與“天河一號”相當、性能卻提升了11.6倍……
“可以説,如今中國超算系統的整體研製能力已處於國際前列,體系結構等部分技術已領先國際水平。”朱小謙説。從局部突破到綜合技術領先,從奮力追趕到逐步超越,世界超級計算機的發展史上已留下“中國創造”的深深印記。
因為有了一系列自主創新成果,中國的超級計算機科研工作者在世界同行中贏得尊重。劉光明至今仍清楚地記得,過去要參觀國外超算公司、參加國外超算學術會議非常困難。即使有幸參加,中方人員的行程都會被跟蹤,看了什麼,問了什麼,都會被記錄上報。如今,主動邀請代替了百般拒絕,熱情相擁代替了冷淡對待。歐盟第七框架科研計劃與“天河一號”合作項目顧問、德國於利希超級計算中心教授BerndMohr表示,中國在超級計算機領域經驗豐富,歐盟希望通過這一合作,對未來高性能計算發展規劃提供指導和參考。
“當然,我國超算領域也有短板。”錢德沛告訴記者,最大短板在於應用,軟件方面與國際先進水平還有很大差距,希望國家把超級計算機作為關係國家長遠發展的重大基礎設施建設持續支持,讓超級計算機這一“國之重器”更好地發揮作用。（經濟日報記者 劉松柏）