中國超級計算機進化史_風聞

**導語：**中國超級計算機是如何實現從無到有，從大型機到巨型機的？

王劍| 作者 礪石科技 | 出品

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1950年3月，中央人民廣播電台播發了一封書信，信中説“梁園雖好，非久居之鄉，歸去來兮。”

信的作者是剛從美國經香港抵達北京的數學家華羅庚，這是他在歸國途中所書寫，目的是號召海外知識分子回國參加社會主義建設。

信中，華羅庚喊出了那一句振聾發聵的話：“科學沒有國界，科學家是有自己的祖國的”。

“梁園雖好”出自漢代司馬相如辭別梁孝王時的一句感慨，展示了司馬相如志在四方的遠大抱負。

那時，有很多中國科學家為躲避戰火遠赴歐美國家落腳，潛心科研，受到了優待。

華羅庚就已被美國伊利諾伊大學聘為教授，待遇豐厚。

在新中國的號召下，包括華羅庚在內的很多科學家毅然選擇從海外輾轉回到祖國。

回來後，華羅庚回到清華園，擔任清華大學數學系主任。

1952年夏，有感於美國正開展電子管計算機的研究，華羅庚提倡並牽頭，與閔乃大、夏培肅和王傳英等人在中科院數學所內，組建了中國第一個電子計算機科研小組。

那時，中國計算機領域荒蕪一片，前行者正高舉火把探索未知之境。

閔乃大寫出中國第一個“電子計算機研究的設想和規劃”，揭開我國電子計算機研製的序幕。

1956年3月，在新中國製定的《1956-1967年科學技術發展遠景規劃綱要》中，計算機成為發展科學技術的“四項緊急措施”之一。

同一時間，華羅庚被任命為中國科學院計算技術研究所籌備委員會主任，研製通用數字電子計算機，同時派人向“老大哥”蘇聯取經。

1958年，在“立足國內先仿製，後自行設計”的原則下，中國仿製蘇聯M-3大型計算機的103機研發成功，每秒運算速度1500次，實現了從零到一的跨越。

雖説中國的計算機研發距離美國發明世界首台計算ENIAC，只相差12年，但彼此在人才和設備上已經有了相當大的距離。

美國從二戰時期就已經展開了計算機研究，從軍方到民間有數十萬名經驗豐富的科研人員，而且經費充足。

中國這時別説計算機研究，很多人連計算機是什麼都沒搞清楚，更沒親眼見過，經費更是捉襟見肘。

彼時，美國IBM公司在貝爾實驗室的幫助下，成功研發出晶體管構造的計算機RCA501型。

由於採用晶體管邏輯元件及快速磁芯存儲器, RCA501型計算機的計算速度從每秒5000次提高到幾十萬次，主存儲器的存儲量也從幾千KB提高到十萬KB以上，同時也出現了簡單的採用高級語言及其編譯程序的操作系統。

與傳統電子管計算機相比，晶體管不僅能實現電子管的功能，而且具有尺寸小、重量輕、效率高、功耗低等優點，使計算機體積從過去佔滿一間房，濃縮為只有一張書桌大小。

1959年，中國仿製蘇聯БЭCM-Ⅱ計算機研發出104機，速度勉強達到1萬次，但是由於組裝了4200個電子管、4000個二極管，佔地超過400平方。

104機在交付航天與軍工部門後，完成了包括第一顆原子彈在內的多項科研運算工作。

雖然104機性能與美國的RCA501型計算機相比還有較大差距，卻與同期起步的英國、日本等計算機水平相差無幾。

2

面對人才緊缺的問題，中國計算所籌委會與國內多家著名高校合作，連續舉辦了四期計算機培訓班，先後培養出七百多名計算機方面的科研人員，奠定了中國計算機事業的人才基礎。

莽荒時代，這支渺小的隊伍，如同長夜中微弱的熒光點亮了中國的計算機事業。

中蘇“蜜月”結束後，蘇聯撤走了所有對華援助，其中也包括計算機方面的專家和設備。

中國的計算機科研人員並沒有止步，在動亂年代靠集體智慧和奉獻精神不斷披荊斬棘。

1960年，夏培肅帶領團隊成功研發出中國第一台自行設計的小型通用電子數字計算機107機，並交付給當時尚在北京的中國科技大學使用，這也是我國高校的第一台科研計算機。

1964年，我國第一台自行設計的大型通用數字電子管計算機119機面世；同年，復旦研發出採用機器語言編程的602型電子數字計算機。

1965年6月，中科院計算所成功研發出運算速度定點運算9萬次/s、浮點運算6萬次/s的首台晶體管計算機109乙機。

隨後的109丙機在“兩彈”試製中發揮了重要作用，被譽為“功勳機”。

整個六十年代，由於國內計算機研發都是圍繞重大國防工程進行，只追求不斷提高運算速度，對計算機整體性能和普及性考慮並不多，不僅資金花費巨大，也忽視了社會生產建設需求，更沒有批量生產的概念。

進入七十年代，美國以及西方等發達國家已研發出小型化集成電路通用數字電子計算機，並廣泛在民間開始推廣應用。

因此，1973年元月，第四機械工業部在北京召開“電子計算機首次專業會議(7301會議)”，明確未來“必須放棄單純追求提高運算速度的技術政策，確定發展系列機的方針。”

這次會議後，中國開始了隨後近十年的計算機工業發展雛形。

遍地紅旗與喧鬧的鑼鼓聲中，中國計算機科研者們一邊為經濟建設勾勒所需的計算機型號，一邊加緊研發。

1973年8月，我國首台百萬次集成電路大型計算機150機誕生，這台計算機主內存130K。配有多個程序和操作系統，每秒運算速度達100萬次。

從這時起，中國大型計算機逐漸轉移到經濟建設層面，在中國石油勘探、氣象預報、科學計算等領域肩負起新使命。

值得一提是1975年定型生產的DJS-131計算機，是一台內存4～32K（可擴展至64K）、運算速度每秒50萬次的桌面型計算機。

DJS-131小型計算機總計生產了334台，卻是當時國內應用面最廣、系統最穩定的國產數字電子計算機，被同時應用在23個省市的郵電、電力、鐵路、通信、醫療、地震、科研、交通、工業和國防建設等領域。

與此同時，華北計算所組織全國57個單位聯合進行DJS-200系列計算機，以及DJS-180超級小型機的開發和設計，開啓了微型計算機國產化的序幕。

隨後相繼出現的NCI－2780超級小型機、TJ-2000系列機及AP數組處理機等產品，逐漸讓中國計算機工業走上系列化的批量生產道路。

始終堅持“兩條腿走路”，中國計算機工業在小型化和大型化道路上繼續保持着喜人的成績。

1976年11月，中科院計算所研製成功每秒運算速度達1000萬次的大型通用集成電路通用數字電子計算機013機，隨即廣泛應用在航天、國防建設等領域。

參與這些項目研發的，都是當年中國計算所培訓班走出的學員。

曾經飄搖的火種，終成科學譜系，在中國計算機各個應用領域散開枝蔓，開啓傳承。

3

通過自主研發，中國計算機工業已完成了第二代向第三代的過渡，尤其是通過應用促進計算機研製發展，產用結合，推動了微型機的國產化。

雖説中國在大型計算機領域一直堅持不懈進行研發，可與美國還是有着不小的技術差距。

美國從六十年代初就已開發出以集成電路(IC)為主體的第三代計算機，開始了商業化進程。

其中IBM公司發佈IBM 360系統大型計算機已可以同時運行許多不同的程序，並向文字處理和圖形處理領域延伸，大型計算機更是領先中國許多倍。

拿當時中國比較先進的104機舉例，這台後來參與了多個大型國防科研項目的大型計算機，每秒可完成1萬次浮點運算；而同期IBM為美國軍方設計的7030機，浮點運算性能是每秒60萬次。

浮點運算性能的高低決定了科研效率和計算準確性，中國曾嘗試花費700多萬美元購買，但由於特殊歷史環境下，未能如願。

即便是小型機領域，美國也先行一大步。

七十年代，美國通過DEC的小型機PDP-11開始嘗試使用Unix和C語言進行程序設計，滿足各種場景需要，真正讓計算機步入到“為人民服務”的階段。

而那時中國的大型計算機無論性能還是產量都還難以滿足各種建設需求，尚在艱難跋涉中。

1976年，美國克雷公司又推出了世界上首台運算速度達每秒2.5億次的超級計算機。

“大型計算機”和“超級計算機”看似差不多，但兩者有着天壤之別。

簡單説，大型計算機使用專門的指令系統和操作系統，由於只能進行非數值計算(數據處理)，應用範圍一般侷限在商業領域；而超級計算機採用通用處理器及UNIX或類UNIX操作系統，擅長數值計算(科學計算)，可以廣泛應用於國防、航天、氣象、工業等更為尖端和複雜的場景。

超級計算機是真正的“國之重器”，其中彙集了千萬計的處理器，能進行海量的數據高速運算，是衡量一個國家綜合國力的重要標誌，更是國家信息化建設的根本保證。

面對現實差距，中方政府決定通過購買設備，從而學習和掌握超級計算機前沿技術的政策。

中美開始恢復接觸後，美國為了表示友好向中國出口了兩台超級計算機，卻讓中國計算機科研人員經歷了一段屈辱的“玻璃房”的歷史。

1976年底，即將卸任的美國總統福特簽發了兩台Cyber172型超級計算機的對華出口協議。

但美方對這款計算機做了手腳，運算性能遠非實際水平，而且美方還要求計算機只能用於地質勘探，不可以用於其他途徑。

最令中國科技人員深感憤怒又無奈的是，計算機被設置在專門的玻璃機房內，鑰匙卻由美方管理，每次使用前，還必須有美國人批准同意。

操作完成後，美方會馬上封鎖玻璃房，操作日誌還要定期上交給美國政府審查。

引進美國的Cyber172後，中方又從日本購入3台日立M系列超級計算機用於氣象預報工作。

可美方從中搞鬼，不僅要求日方在對華出口版本上大幅降低性能，還要求比照Cyber172的做法，設立值班人員和監控日誌審核制度。

這種情況一直延續到八十年代初，中國從美國購買了各種類型的大型和超級計算機設備，關鍵技術始終被對方嚴密封鎖。

對中國的計算機科研人員來説，這是一段不堪回首的往事。

中國科學院院士、前國防科技大學校長楊學軍談起這段歷史時説：“這是中國科研工作者心中永遠的痛，就像農民自家沒糧，母親自己沒奶喂孩子…….”

一而再的“卡脖子”刺激下，中國計算機的科研人員意識到試圖通過購買國外先進設備來達到自我提升，是不切實際的幻想，自力更生才是唯一出路。

4

1978年3月：鄧小平聽取計算機發展彙報，明確由國防科工委系統承擔首台億次超級計算機的研製，説“中國要搞四個現代化，不能沒有巨型機（超級計算機）”。

同年5月，中國超級計算機方案論證會上，這項工程被命名為“785超級計算機”，時任國防科委主任張愛萍上將取名為“銀河”。

“銀河”計算機規劃性能為每秒1億次浮點運算，比中國此前研製過的最先進計算機還要快100倍。

接受任務的長沙工學院（國防科技大學）計算機研究所所長，年過花甲的慈雲桂立下軍令狀“就是豁出我這條老命，也一定要把我們自己的巨型機搞出來！”

慈雲桂是中國計算機界的一代宗師。從電子管計算機到晶體管計算機，再到集成電路計算機，中國計算機每一次升級換代，他都是主要參與者。

785超級計算機項目組也表態：每秒一億次，一次不少！六年時間，一天不拖！預算經費，一分不超！

有委屈可以傾訴，有困難必須克服，實現大國科技實力的崛起，終究要靠一代人不懈的努力。

科研團隊首先參考了美國最先進的超級計算機Cray-1總體架構，隨後開始了分工協作。國內有配套的設備直接使用，無法實現自主研發的，就從零部件出口條件寬鬆的國家直接引進。

但是團隊有個一個基本原則：設備可以用其他國家的，技術必須是自己的。

為了實現這個目標，科研人員在堆成小山的試驗紙帶裏逐一核對；為了保證機器的穩定和可靠，要對 2.5萬條繞接線、12萬個繞接點和200多萬個焊點進行細緻檢查。

最終，慈雲桂團隊通過創造性地提出“雙向量陣列”結構，大大提高了機器的運算速度，提前1年實現規劃研製任務。

1983年12月26日，中國第一台億次超級計算機“銀河一號”通過國家技術鑑定，橫空出世。

“銀河一號”是中國高速計算機研製的一個重要里程碑，標誌着中國成為繼美國、日本之後，第三個能獨立設計和製造超級計算機的國家。

慶功會後，每位研發骨幹人員發了五百元獎金，可他們都沒有要，全部捐給了正在從事的計算機項目中。

令人惋惜的是，在“銀河”系列後續近20年研發過程中，由於工作強度高，營養和醫療條件不足，團隊裏有許多人因病相繼離世。

這些科研人員知道研究經費有限，自己工資也很微薄。為了不給研發添麻煩，紛紛選擇了隱瞞病情，一拖再拖。

他們是49歲的鐘士熙教授、43歲的蹇賢福副教授、41歲的王育民副研究員、40歲的張樹生講師和35歲俞午龍助理研究員，他們值得我們永遠懷念！

這些科研人員的遺物裏，都有本美國作家阿爾文·托夫勒的著作《第三次浪潮》，書中最後一句話被許多人用紅藍鉛筆重重畫了一條線 “就像革命的先輩一樣，我們的使命註定是創造未來”。

時光在此鞠躬致敬，天下重器，國士無雙。

5

“銀河一號”的出現的同一年，26鍵方案的“五筆字型”誕生，這是後來蜚聲海內外的五筆字型輸入法的首個版本，發明人王永民由此被稱為現代“畢昇”。

“五筆輸入”搭配國產D-2000型漢字智能終端及ZD-1110型字符顯示終端，古老的文字與代表現代科技的計算機系統，就此相遇。那些跳動字符碰撞成句，連綴成文，在屏幕中演繹屬於中國人的文化世界。

這年，中國第一台大型向量計算機系統757機也研發成功，向量運算達到每秒1000萬次、標量運算速度每秒280萬次。

中國科研機構也用上了電子部六所研發的微型計算機長城100（DJS-0520微機），這台機器已經初步具備了個人電腦的主要使用特徵。

窗外已是信息化的世界，“第三次浪潮”席捲而來，人類社會翻開了新的篇章。

在IBM的PC兼容機成為世界主流個人計算機背景下，中國計算機行業提出“照着IBM的PC做”。

只是這種“照着做”實際一沒實物，二沒圖紙，完全靠計算機廠家自行摸索。最終“摸”出來的計算機大多不倫不類，無論性能還是操作系統都無法實現批量生產。

1984年2月16日，鄧小平在上海舉辦的全國十年科技成果展上，摸着一個計算機小選手的頭，語氣堅定地説“計算機普及要從娃娃抓起。”

老人的叮囑讓計算機課程如井噴，很多學校紛紛開設計算機課程，從簡單的打字練習到高級的Basic編程，如火種般點燃了國人學習計算機的熱情。

人們在鍵盤上彈指如飛，猶如在傾訴一個奮進時代的急迫心聲。

1985年，中國人通過加載漢化操作系統的國產微機長城0520CH，真正實現了在計算機上進行完整中文信息處理的需求。

同年，銷售聯想漢卡的計算機公司改名為聯想公司。

在長城、聯想等品牌帶動下，國內湧現出一大批計算機制造企業，如四通、方正、同創、實達等，成為帶動中國計算機產業發展的龍頭，讓中國計算機工業從第三代邁入到第四代。

這是一段濃墨重彩的歷史，但隨之而來的是中國計算機工業一個令人惋惜的停滯時期。

隨着中美關係逐漸火熱，很多先進技術可以順利引進。因此，我國計算機和半導體電子工業的發展模式從“創新為主，引進為輔”和重視基礎研究，轉變為單純的引進，放棄了半導體通用電路研發追趕計劃。

原本與世界差距並不大的集成電路與半導體行業由於沒有經費而暫停，大量科研隊伍解散，甚至有些研究員被安排當了機房管理員，無所適從。

事實上，我國那時已經可以仿造出6800、8080等CPU芯片，在技術上並不輸於很多發達國家。

可由於項目經費縮水，以及研發方向的錯失，沒能將CPU研究獨立出來持續進行，從而為日後計算機的芯片產業埋下了隱患。

幸好在中國科學界有部分專家已經意識到自身與國際前沿科技的差距，不斷呼籲，這才使中國超級計算機工程以更快的速度迎頭趕上。

6

1986年3月，王大珩、王淦昌、楊嘉墀、陳芳允四位科學家基於美國提出的星球大戰計劃背後藴藏的強大科技實力，提出要追趕世界高新技術的建議。

鄧小平對該建議表示了支持，不久，“高技術研究發展計劃”出爐。因為四位科學家上書和鄧小平同志批覆時間都是 1986年 3月，所以該計劃又稱之為“863計劃”。

一年後，北京計算機應用技術研究內，中國人發出第一封電子郵件：“Across theGreat Wall we can reach every corner in the world.（越過長城，走向世界）”

從那刻起，中國和世界已經緊密聯繫在了一起。

863計劃中，“智能計算機”被單獨列為一個主題項目（即306主題），由中科院計算所承接項目。

中科院計算所是中國計算機發展的搖籃，這裏誕生了首台通用數字電子計算機，以及首枚通用CPU芯片，是“兩彈一星”成功的重要幕後功臣。

當時世界剛掀起人工智能的熱潮，日本的“五代機”在這領域發展迅速。因此“306主題”便跟隨日本“五代機”的策略，開始了智能計算機的研究。

研發過程中，專家們發現日本的“五代機”主要目標是實現自然語言翻譯，但應用市場狹窄，且維護費用高昂。而同時期的美國研發對象是個人計算機、超級計算機和互聯網，前景似乎更為廣闊。

時不我待，專家組果斷把研究方向從“智能計算機”調整為“高性能並行計算機系統”，催生了中國超級計算機系列的加速發展。

負責智能計算機項目是剛從美國留學回來的李國傑教授，他意識到當時國產計算機研發幾乎都是“閉門造車”，研發時間又極其漫長，往往機器研製出來就已經落後，始終慢市場一步。

於是，李國傑派了團隊人員到美國硅谷“洋插隊”，吸收國外先進技術並同步更新到項目中。並且，他還在原來的UNIX源代碼的基礎上，研發設計了國產操作系統 SNIX。

1993年10月，峯值運算速度達每秒 6.4億次，採用全對稱共享存儲多處理結構的“曙光一號”超級計算機誕生。整體與Intel公司1990年的體系結構與技術相近。

隨後的曙光1000型超級計算機也開始了市場化運作，進入到企業服務的行列。

1997年，隨着曙光天潮 1000A落户遼河油田，中國超級計算機徹底打破了進口產品的市場壟斷，洗刷了昔日超算領域的“玻璃房”恥辱。

這一時期，隨着國產電腦品牌不斷湧現，曾經動輒數萬元一台的個人電腦價格已經跌到萬元之內，普及到尋常百姓家，信息時代的大門正式向中國人敞開。

7

跨越新千年之後的二十年間，伴隨國力復甦和科研佈局，中國超級計算機研究機構你追我趕，發展如火如荼。

2008年，中科院的曙光5000型超級計算機研發成功，運算速度達超百萬億次。

僅僅一年後，國防科技大學“天河一號”千萬億次超級計算機出現，中國成為繼美國之後世界第二個成功研製千萬億次超級計算機的國家。

2010年6月，中國中科院“星雲”千萬億次計算機在第三十五屆超級計算機TOP500排行榜榮獲第二名的佳績，成功擠入世界超級計算機前三甲行列。

半年後，國防科技大學“天河-1A”千萬億次超級計算機，直接奪取排行榜的第一名。

與此同時，江南計算機研究所千萬億次超級計算機“神威·藍光”，率先完成CPU國產化。

在中國超級計算的賽道上，曙光、天河與神威已成為高性能計算專項課題耀眼的“三劍客”。

隨着超級計算研究的不斷深入，中國相繼建設了國家超級計算濟南中心、深圳中心、無錫中心、鄭州中心等7家機構。

在此期間，基於超算體系結構的雲計算、大數據、人工智能等創新也在不斷上演新的篇章。

2018年，曙光、天河與神威已進入到超級計算機競賽領域的E級（秒鐘運算一百億億次）超算研發，並逐步實現CPU和加速器的全國產化。

2021年，第五十八屆全球超級計算機TOP500排行榜中，中國超級計算機有173台進入榜單，佔比34.6%。第二名的美國為149台，佔比29.8%。

不過，中國超級計算機數量雖然超過了美國，但在綜合算力上與美國及其他國家依然有一定的差距。

2022年上半年的全球超算TOP500榜單中，中國的神威太湖之光排名第六，已是“三劍客”中成績最好的一家。

但是距離全球首款E級超級計算機，美國橡樹嶺國家實驗室的邊界超級計算機（Frontier），在算力上尚有10倍左右的差距。

可以説，中國的超算體系面前，變局從未止步。

上世紀六十年代，英特爾創始人之一的戈登·摩爾預測，集成電路上的晶體管數目，未來將以每18個月翻一番的速度穩定增長，並在今後數十年內保持這種勢頭。

摩爾定律從此成為時代的法則，更成為人們對未知世界的一個進化隱喻。

中國的超級計算機從荒蕪走到沃野，已在千古棋局行至中盤，在時代變局中日漸清晰，凝聚起磅礴的力量。

莎士比亞在《暴風雨》中説：凡是過往，皆是序章。

中國超級計算機的前方是瞬息萬變的數字化浪潮，但落子無悔，勝負依然未定。

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