连续四个超级计算机头衔: 天河II背后的故事

“天河2号”是国家863计划和国防科学技术大学承担的“核高基”国家科技重大专项. 它于2013年11月在国家超级计算机广州中心投入运行，并向用户开放. 目前，“天河二号”已建成材料科学与工程计算，生物计算和个性化医学，全数字化设计和设备制造，能源及相关技术数字化设计，地球科学与环境工程计算，智慧城市和大数据处理六个主要的应用服务平台在基因分析和测序，大型飞机和高速火车设计，生物医学，电子政务和智慧城市中发挥了重要作用，并取得了显着的经济和社会效益.

在2014年11月20日举行的世界超级计算机大会上，“天河2号”在国际TOP500组织首次正式发布的超级计算机高性能共轭梯度（HPCG）基准测试列表中排名世界第一. 首先. 此前，在该组织发布的第四十四届世界超级计算机500强榜单中，“天河2号”再次名列榜首，并获得了世界超级计算机“连续四届冠军”. 近日，《经济日报》记者采访了“天河二号”研究团队的有关人员和国家超级计算天津中心负责人，探讨了国家重型武器“天河二号”背后的故事.

超级计算之上的竞争

这四个冠军奖杯无疑是中国超级计算机团队的喜事. 但是，对于其他已建立的超级计算能力，他们的内心就像推翻了调味瓶Chen一样. 紧随其后的是“竞争”. 在全球超级计算机500强榜单发布的前夕，排名第二的美国宣布了“珊瑚”计划，称将投资3.25亿美元建造两台超级计算机. 计算速度可能达到“天河2号”的3到5倍.

“在超级计算机领域，国际竞争源远流长. 在“天河一号”获得冠军之前，美日之间的“第一战”已经存在. ”天河高性能计算机系统副总设计师朱晓谦说. 中国计算机学会高性能计算委员会秘书长张云泉对记者说: “美国和日本特别关注他们的超级计算是否是世界第一. 一旦失去了“第一”的头衔，他们迫不及待地想拿回它. ”实际情况确实如此，“天河一号在2010年底首次获得冠军后，遭受福岛核事故的日本仍在紧急拨款以加速其超级计算机的发展. ”并在半年内夺得冠军宝座. 然后在美国的“红杉”和“钛”也赢得了世界第一的名次.

“你唱歌，我将登场”，冠军的宝座经常被新的竞争对手夺走，而不必等待激烈的竞争. 人们不禁要问，如此激烈的竞争是什么原因？

这个问题的答案必须从超级计算机可以做什么开始. 记者最近来到国家超级计算机天津中心接受采访，该国的第一台petaflop超级计算机“天河一号”正在运行. 天河一号投入运行的五年来，以其超强的计算能力和准确的计算结果赢得了众多用户的青睐. 当前，该中心每天运行1,000多个计算任务，140万小时的计算服务小时和600多个服务用户. “天河一号的魅力被普遍认为能够计算天空，土地和人. ”国家超级计算天津中心主任刘光明说.

数不清的日子: “大气科学和地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室”的研究人员使用“天河1号”完成了整个千年的气候变化模拟，并将其提交给联合国气候变化大会. 自主开发的气候模式IPCC报告. 国家超级计算天津中心的研究员孟祥飞说: “由于中国科学家与“天河一号”建立了气候变化模型，中国不仅提出了自己的气候影响基础，而且建立了模型成为国际公认的示范标准. 赢得了该领域的发言权. ”

计算: 基于“天河一号”的高性能石油勘探数据处理软件的开发与应用，解决了中国石油勘探领域独立应用软件的数据处理能力问题，使中国大连高密度石油勘探地震数据的处理能力提高了50倍以上，达到世界领先水平.

计数器: 分析人类基因和解释生命的奥秘，现在已经与大数据的计算和处理密不可分. 中国科学院，军事医学科学院，北京生命科学研究院等单位利用“天河一号”在抗癫痫，艾滋病，癌症等领域进行研究，取得了一定的成就. 国际先进的结果.

“天河一号”不仅为科学研究和技术创新提供了更高的支点，而且为工业发展提供了一条更快更好的道路. ”刘光明说. 在“天河一号”的支持下，我国一些产业的核心竞争力正在建设.

是在模拟气候变化还是在展示地震和海啸？无论是设计航空航天器还是开发新的家用发动机；或基因测序，高速火车的设计和制造，超级计算机可以执行分析，计算和处理. “超级计算机就像是预测未来的水晶球. 一切都可以在计算机上模拟. ”田纳西大学计算机科学教授杰克·坦加拉（Jack Tangara）说. “超级计算机越快，计算结果越准确，这意味着工程师可以设计出更好的产品，从飞机，轮船到药品和服装面料. ”

从“银河”到“天河”

“高性能计算机是名副其实的“国家砝码”，其发展和应用水平不仅代表了国家的技术发展水平，而且是国家塑造创新和经济建设核心竞争力的关键武器”. 大型高性能计算机和核心软件重大项目总体计划的负责人国家863项目钱德培对此发表了评论.

因此，从一开始，我国对超级计算机的研究与开发就被国外紧紧封印.

尽管有很多年了，“天河人”还是提到了两件事.

在改革开放之前，由于缺乏国际先进的高性能计算机，中国对石油储量数据的勘探和数据不得不送往国外进行飞机加工，这不仅价格昂贵，而且受到对人民;一家国内单位希望以每秒400万次的计算机速度导入计算速度，外国方实际上提出: 要为该机器建造一个安全的“玻璃房”，中国人员必须在外国方的监督下进行操作. 机器，不得在合同外进行任何研究.

过去的历程总是在眼前，总是激励着“天河人”努力工作，攀登世界一流的“珠穆朗玛峰”.

“中国必须在没有超级计算机的情况下实现四个现代化！” 1978年，同志有了长远的眼光，并将开发超级计算机的任务移交给了国防科学技术大学. 国防科技大学的一大批科技人员瞄准了世界上先进的超级计算机技术，并为解决这一问题而努力工作. 开发我国第一台被称为“竞争飞机”的十亿台巨型计算机只用了五年时间. 1983年11月，“银河”十亿台超级计算机在世界范围内展示，实现了我国超级计算机零号的突破. 从那以后，他们相继开发了“银河”系列巨型机器，将我国的超级计算技术逐步推向了国际前沿.

进入新世纪，“天河人”吹响了攀登世界科学技术高峰的号召力，以尽快发展我国的千万亿次超级计算机系统. “超级计算机的发展规律是每10年将性能提高1000倍. 2000年的国际先进水平是1万亿倍，到2010年肯定会达到PB. 要占领制高点，我们必须开始发展”二手计算机. ”当时的“天河一号”首席设计师兼国防科技大学校长杨学军说.

这一步太大了吗？许对此表示怀疑银河一号超级计算机，但是国家战略迫不及待.

沉重的重担再次落在“天河人”的肩膀上. 充满“银河精神”的“天河人”再次遇难. 回想当时的情景，他的职业生涯几乎与中国超级计算机的发展历史相同. 曾参与我国银河Ⅱ和银河Ⅲ的开发的刘光明激动地说: “确实很难. ”

每种技术的背后都需要付出巨大的努力: 仅仅将网络互连软件的性能参数调整到最佳状态以适应硬件，在3个月内，“天河人”进行了数亿次测试实验. 他们每天工作将近十二个小时，一年四季在春节期间只能休息三天. 尽管如此，“天河二号”主机系统的首席设计师姜菊萍认为这再普遍不过了. 当记者请他讲述过去克服困难的故事时，姜菊萍一时都不记得了. “亿万颗恒星与银河系相遇. 很难知道世界上有多少人. 神奇的安排是如此聪明，它们对着恒星微笑. ”也许只有早晨3或4点灯火通明的“天河塔”才能告诉我们这一切.

付出的汗水是有回报的. 2010年11月，“天河第一”位居世界第一；两年半之后，2013年6月，“天河2号”获得了世界冠军，其峰值计算速度也从每秒4.7万亿次跃升至每秒5490亿次，从peta中学跃升至达到了千万亿.

从“银河”到“天河”，从“天河一号”到“天河二号”，为了完成国家使命，“天河创新”团队追逐了“超级计算”的世界拥有远见卓识并给出了一个绝妙的答案.

蒋菊萍告诉记者，“天河”队的平均年龄不到40岁. 曾经参与“天河一号”发展的年轻技术人员现在已经成长为“天河二号”发展的支柱. “天河人”这一代人不断向前发展，并成为我国未来高性能计算的中坚力量.

创新并寻求突破

中国超级计算机的发展无疑给世界带来了无数的奇迹.

三年多来，世界上最快的超级计算机已经开发了两次；短短十年间，超级计算机的数量已从零跃升至世界第二. 在过去的十年中，中国超级计算机的性能提高了5000倍，而美国超级计算机的性能仅提高了500倍...

是什么使中国的超级计算机得到突飞猛进的发展？钱德培说银河一号超级计算机，银河和天河系列之所以能取得如此骄人的成绩，是一系列重大技术的自主创新，这清楚地表明了中国技术实力的巨大进步.

超级计算机是集成了成千上万个CPU的巨人. 根据传统方法，提高超级计算机的计算速度既可以增加处理器数量，也可以增加CPU内核数量. 姜菊萍告诉记者: “传统方法是不可持续的. 增加CPU的数量主要受到功耗，占地面积和系统可靠性的限制. ”据报道，按照传统方法，每秒可构建数百亿美元. 电脑需要占地13,000平方米，几乎是两个足球场的大小;它需要320兆瓦的电力，相当于一个大中型城市的电力消耗.

显然，传统解决方案根本行不通. 首先，我们必须解决由于机器规模的增长而带来的一系列麻烦和挑战: 如何减少功耗和节能？如何增加密度并节省房间空间？如何突破内存和网络I / O瓶颈，弥补系统的缺点？如何优化并行软件的开发，提高效率并确保数据一致性？

不管有多困难，当时的“天河一号”首席设计师杨学军都决定带领自己的团队，率先采用世界上CPU + GPU异构融合架构，利用GPU来加速GPU的运行. 通用应用程序. 近年来，该结构具有能耗低，成本低，集成度高等优点，逐渐成为国际主流.

在“天河”团队的努力下，类似的自主创新已经一步一步地实现. 如今，“天河2号”的许多独立关键技术引起了全世界的关注: “新型异构多态架构”极大地提高了系统的计算速度. 高速互连系统的性能是当前国际商业互连系统的两倍. 综合的能耗控制机制达到了国际先进的能效比. 自主研发了目前国内频率最高的新一代高性能通用“飞腾-1500” CPU，有力地支持了高吞吐量，高安全性的信息服务应用；高密度，高精度的装配结构使系统占据了相当于“天河一号”的面积，但其性能却提高了11.6倍...

“可以说，中国的超级计算系统的整体开发能力目前处于世界前列，而诸如建筑学之类的一些技术已经引领世界. ”朱小倩说. 从本地突破到全面的技术领导，从努力追赶到逐步超越，世界超级计算机的发展历史留下了深刻的“中国创造”的烙印.

由于一系列自主创新，中国超级计算机研究人员赢得了世界同行的尊重. 刘光明仍然清楚地记得，过去访问外国超级计算机公司和参加外国超级计算机学术会议非常困难. 即使他们有幸参加，也将跟踪中国人员的旅行，并记录和报告他们所见和所问的情况. 如今，主动的邀请取代了各种拒绝，热情的拥抱取代了冷漠的对待. 欧盟第七框架科学研究计划和“天河一号”合作项目顾问，德国尤利希超级计算中心教授贝纳德·摩尔说，中国在超级计算机领域拥有丰富的经验，欧盟希望通过此次合作，将为以后的高性能计算开发计划提供指导和参考.

“当然，中国在超级计算领域也有缺点. ”钱德培告诉记者，最大的不足在于应用程序，该软件仍远远落后于国际先进水平. 我希望该国将超级计算机视为与该国的长期发展相关的事物. 对大型基础设施建设的持续支持将使超级计算机发挥更好的作用. （《经济日报》记者刘松柏）

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