原標題：“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（ISC）公布了新一期全球超級計算機500強榜單，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”運算速度奪得世界第一。更令人振奮的是，這套系統(tǒng)實現(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)超級計算機的推廣應(yīng)用還需要在哪些方面不斷完善？本報記者帶您尋找答案。

1分鐘完成地球人32年計算

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

這樣一個“龐然大物”的運行速度究竟有多快？國際超算大會上傳來的數(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分鐘的計算能力，相當于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年；如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個人臺式機作參照，‘太湖之光’相當于200多萬臺普通電腦。”對此，國家超級計算無錫中心主任楊廣文作了一個形象的比較。

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

據(jù)了解，在全球超級計算機500強榜單上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，還有中國的“天河二號”、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”。但在運算速度上，“神威·太湖之光”接近“天河二號”的3倍，美國“泰坦”的5倍，超過排名第二到第五的4臺超級計算機運算速度的總和。

超級計算機500強排名發(fā)起人杰克·唐加拉表示，相比10年前中國只有28臺超級計算機進入世界500強榜單并且名列30名以外，“在超級計算機歷史上，中國進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。因為不僅排在前兩名的計算機屬于中國，整個500強榜單里中國入榜的超級計算機數(shù)量達到167臺，超過美國的165臺。

事實上，中國在1958年才剛剛開始在超級計算機領(lǐng)域的探索。從首臺數(shù)字電子計算機——103機到1983年成功研制“銀河”系列超級計算機，再到曙光系列、神威超級計算機，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確

超級計算機為何需要拼速度？計算快能夠帶來更好的應(yīng)用嗎？

針對這一問題，中山大學數(shù)據(jù)科學與計算機學院院長錢德沛表示，計算機速度越快，性能越好，那么在應(yīng)用過程中精準度就會越高，提升了檢測和預(yù)判的準確性。

比如在預(yù)測天氣方面，近年來準確度的提升就離不開超級計算機的功勞。北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院王蘭寧教授表示，下不下雨關(guān)鍵看云層運動，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，就可對云層運動進行精確模擬與觀測。

2011年，他在天津的“天河一號”上實現(xiàn)了觀測精度10萬公里的目標；隨后，他又在“神威藍光”實現(xiàn)了1萬公里精度；今年，他在“神威·太湖之光”上實現(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計算機來解決。

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

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

而在醫(yī)療方面，超級計算機能夠通過掃描真人的血管系統(tǒng)，運用3D建模技術(shù)建立動脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)整個人體的動脈系統(tǒng)。陳榮亮近日便用“神威·太湖之光”對人體血流進行了模擬與分析。

“過去，對一個可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進行支架手術(shù)，一般都會通過從大腿動脈處放進測壓導(dǎo)絲進行測量，這種方式既危險又痛苦。如今，經(jīng)過模擬計算，只要血流儲備分數(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、船舶工程、航空航天設(shè)計、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等方面，超級計算機都可以發(fā)揮作用。

從技術(shù)受制于人到自立自強

與此前“天河二號”使用的是英特爾至強處理器和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個運算核心，數(shù)十億晶體管，達到了每秒3萬多億次計算能力；單芯片計算能力相當于3臺2000年全球排名第一的超級計算機。

“如果沒有堅持完全自主生態(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齊頭并進的神威。”國家并行計算機工程技術(shù)研究中心副主任梁軍說。

許多超級計算機領(lǐng)域的中國專家都難以忘記這樣一段屈辱的歷史：30年前，中國的超級計算機用戶有一個神秘的“玻璃房”——美國人把一臺超級計算機賣給中國，用不透明的玻璃包裹得嚴嚴實實，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中國土地上的“技術(shù)飛地”。“全國只有幾個有授權(quán)的科學家能夠進入玻璃房，而且是在美國人的監(jiān)視下。一旦程序運行完，機器立即被鎖回玻璃房。那個所謂的超算速度，在今天看來充其量是一臺高性能電腦，但對于當時的中國來說，卻是一個難以企及的高峰。”

上世紀80年代，我國已逐步邁入獨立設(shè)計和制造巨型機的國家之列，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計算機“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價權(quán)”。2015年4月，美國政府更是宣布，把與超級計算機相關(guān)的4家中國機構(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。”談及中國超級計算機發(fā)展的未來時，錢德沛這樣認為，目前與“中國芯”的超級計算機配套的其他硬件及軟件系統(tǒng)國產(chǎn)化程度還需提升，這對將來的推廣應(yīng)用有很大影響。

國家并行計算中心的相關(guān)科研人員表示，雖然中國的超級計算機發(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”一年的用電量達到15兆瓦時，相當于3個清華大學的用電量。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，中科院計算機網(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)方面還有待進一步提高。將“制好”優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“用好”優(yōu)勢，才能真正實現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級的帶動。

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

“事實上對企業(yè)來說，運用超級計算機解決問題是一種更‘省錢’的辦法，而不是增加成本的方式。”錢德沛告訴記者，相比于用超級計算機建立模擬系統(tǒng)、運用數(shù)據(jù)分析，建造普通實驗室、實體裝備來做檢測的花費要更高。但因為當下許多企業(yè)缺少懂超級計算機技術(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)用是超級計算的核心牽引，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。

“未來這臺超級計算機將在4個方向發(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)；其次是先進制造，強大的計算機將助力“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國創(chuàng)造”；第三個方向是生命科學，為研發(fā)新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個方向是大數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用需求和算法的發(fā)展將不斷推動超級計算機跑得更快、更強。”

《 人民日報海外版 》（ 2016年06月28日 第 09 版）