天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2010年11月16日，中國(guó)天河一號(hào)在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中位居第一。然而，僅在8個(gè)月之后，日本、美國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)就將天河一號(hào)“擠下擂臺(tái)”。2013年6月17日，第41屆世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名榜發(fā)布，天河二號(hào)以峰值每秒5.49億億次再次成為運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

6月17日下午，湖南長(zhǎng)沙，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院天河樓一層。一個(gè)占地約720平方米的“黑色巨人”——天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)，正如往常一樣安靜地進(jìn)行著它的運(yùn)算任務(wù)。黑色面板上無(wú)數(shù)束藍(lán)色燈光隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行跳躍閃爍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去就像是深邃太空中璀璨的銀河一般。

與此同時(shí)，正在德國(guó)東部城市萊比錫召開(kāi)的2013國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，這位“黑色巨人”卻吸引了來(lái)自全世界的目光。

當(dāng)天，世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500組織正式發(fā)布第41屆世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名榜，國(guó)防科技大學(xué)研制的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能，成為當(dāng)今世界運(yùn)算速度最快、綜合技術(shù)領(lǐng)先的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這也是繼天河一號(hào)之后，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)再次奪回世界第一的桂冠。

從一匹黑馬到世界引領(lǐng)者

時(shí)光回溯到2010年11月16日，國(guó)防科技大學(xué)研制的天河一號(hào)在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中位居第一，中國(guó)人首次站到了超級(jí)計(jì)算機(jī)世界冠軍的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上。

然而，8個(gè)月以后，日本一臺(tái)名為“京”的超級(jí)計(jì)算機(jī)就將天河一號(hào)擠下冠軍臺(tái)。之后，美國(guó)研制的“紅杉”、“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)先后坐上世界第一的交椅，天河一號(hào)排名滑落至第8名。

國(guó)外媒體的各種質(zhì)疑紛至沓來(lái)：“天河一號(hào)只是一匹黑馬”、“中國(guó)的超算技術(shù)在世界領(lǐng)先只是曇花一現(xiàn)”。

面對(duì)來(lái)自世界超級(jí)計(jì)算機(jī)界的殘酷競(jìng)爭(zhēng)，2011年12月，國(guó)防科技大學(xué)的天河團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。這一次，他們的目標(biāo)是億億次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，也就是說(shuō)，計(jì)算能力要比天河一號(hào)提升10倍以上。

現(xiàn)在，橫空出世的天河二號(hào)不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了天河一號(hào)，與上一屆世界冠軍美國(guó)“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)相比也是遙遙領(lǐng)先。天河二號(hào)計(jì)算速度是“泰坦”的2倍，計(jì)算密度是“泰坦”的2.5倍，體積卻比它小了15%。

而天河二號(hào)的創(chuàng)新突破點(diǎn)，正是從天河一號(hào)的優(yōu)勢(shì)與不足開(kāi)始的，“這是一個(gè)自我反省、自我超越的過(guò)程?！碧旌佣?hào)工程副總指揮李楠研究員對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者說(shuō)。

世界TOP500組織專家、美國(guó)田納西大學(xué)教授杰克·唐加拉對(duì)天河二號(hào)的評(píng)價(jià)是：“中國(guó)元素、中國(guó)技術(shù)越來(lái)越多?！辈粌H如此，天河二號(hào)的體系設(shè)計(jì)已經(jīng)成為超級(jí)機(jī)算機(jī)的一支重要流派，引領(lǐng)了世界超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的潮流。

應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新

體系結(jié)構(gòu)是高性能計(jì)算機(jī)的“筋骨”。在天河一號(hào)研制中，國(guó)防科大研究人員在國(guó)際上首創(chuàng)了CPU＋GPU的異構(gòu)融合計(jì)算體系結(jié)構(gòu)?！斑@種結(jié)構(gòu)最大的好處就是實(shí)現(xiàn)了超級(jí)計(jì)算機(jī)的低成本、低能耗、高性能。”李楠說(shuō)，“但是在天河一號(hào)投入應(yīng)用時(shí)，GPU的兼容性不強(qiáng)也給用戶帶來(lái)了一個(gè)小小的難題?！?/P>

天河一號(hào)所在的國(guó)家超算天津中心負(fù)責(zé)人、天河二號(hào)副總設(shè)計(jì)師朱小謙研究員對(duì)此深有感觸：“天河一號(hào)為國(guó)內(nèi)外600多家用戶提供了超級(jí)計(jì)算服務(wù)，但是有些客戶的軟件與它不兼容，需要花相當(dāng)一段時(shí)間對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，學(xué)習(xí)編程?！?/P>

天河二號(hào)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的“異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”不僅繼承了一號(hào)CPU結(jié)合加速器的傳統(tǒng)，又增加了兼容性，實(shí)現(xiàn)了與客戶軟件的“無(wú)縫對(duì)接”。李楠解釋說(shuō)：“這就意味著，所有在英特爾芯片上使用的軟件都能迅速在天河二號(hào)上運(yùn)行，不需要再另外進(jìn)行編程?！?/P>

“與美國(guó)、日本的超級(jí)計(jì)算機(jī)主要解決科學(xué)工程計(jì)算問(wèn)題不同，在中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)是一個(gè)公共應(yīng)用平臺(tái)，不僅被用來(lái)解決科學(xué)研究的問(wèn)題，還關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。”天河二號(hào)工程總指揮、總設(shè)計(jì)師廖湘科研究員說(shuō)，“天河二號(hào)主要應(yīng)用于大科學(xué)、大工程以及產(chǎn)業(yè)升級(jí)和信息化建設(shè)領(lǐng)域。這就要求天河二號(hào)有更為高效的大數(shù)據(jù)處理能力、更高的吞吐率以及更高級(jí)別的信息安全服務(wù)。”

事實(shí)上，天河二號(hào)的幾大領(lǐng)先國(guó)際的創(chuàng)新亮點(diǎn)：異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)、微異構(gòu)計(jì)算陣列、高速互連以及新一代高性能通用CPU飛騰-1500都是在應(yīng)用需求牽引下的技術(shù)創(chuàng)新。

“我們不僅要研制世界性能最高的超級(jí)計(jì)算機(jī)，而且要研制穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這是我們始終追求的目標(biāo)?！敝煨≈t說(shuō)。

科學(xué)“神器”離我們生活并不遙遠(yuǎn)

據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者了解，作為廣州超級(jí)計(jì)算中心的主機(jī)，天河二號(hào)今年下半年將在廣州安家。屆時(shí)，天河二號(hào)將為生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計(jì)與仿真分析、天氣預(yù)報(bào)、氣候模擬與海洋環(huán)境研究、數(shù)字媒體和動(dòng)漫設(shè)計(jì)、智慧城市、電子商務(wù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析等多個(gè)領(lǐng)域提供高效服務(wù)。以基因分析為例，華大基因利用自有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要一年才能做出的500人規(guī)模全基因組信息關(guān)聯(lián)性分析，在天河二號(hào)上只需3個(gè)小時(shí)就能完成。

龐然大物、神秘高深，這或許是大眾對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的印象。然而，在李楠的眼中，超級(jí)計(jì)算機(jī)不僅僅是科學(xué)家探知未知世界與預(yù)知未來(lái)的魔法工具，更是與我們生活息息相關(guān)的“神器”。

“色彩絢麗、功能強(qiáng)大的納米材料服裝，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、更加營(yíng)養(yǎng)的糧食，城市智能交通管理，以及許多大家以前只能在科幻電影里看到的智慧城市場(chǎng)景，在天河二號(hào)的幫助下這些夢(mèng)想都能實(shí)現(xiàn)?！崩铋f(shuō)。 （記者 鐘華 通訊員 王握文 蔣自成）