超算卷土重来

2013年6月17日下午，由中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以峰值计算速度每秒5.49亿亿次，持续计算速度每秒33.86千万亿次的优异性能位居国际超级计算机TOP500榜首。这是继2010年我国“天河一号”首次夺冠之后，中国超级计算机运算速度重返世界之巅。

美国田纳西大学教授杰克.唐加拉曾于今年5月对“天河二号”进行了现场考察。他在研究报告中指出，标准测试显示，“天河二号”运算速度比排行榜上的亚军——美国的“泰坦”快了74%。唐加拉表示：“‘天河二号’颇富中国特色，互联网络、操作系统、前端处理器、软件等都主要由中国技术人员发明创造。”

据了解，“天河二号”采用了4000个中国制造的FT-1500处理器，但只占全部处理器的1/ 8，CPU为什么不能全部国产化？中国超级计算机何时才能完全走向自主创造？这也是关注我国超级计算机和信息化事业发展的人们都关心的话题。

“天河二号”打造超算新格局

据了解，由280人历时两年，耗资约1亿美元研制的“天河二号”即将于2013年下半年落户广州超算中心，其先导系统已开始为生物医药、新材料等领域用户提供服务。

和“天河一号”相比，“天河二号”在核心指标方面有了大幅提升，它的峰值速度和持续速度都比“天河一号”提高了10倍以上，而两者的占地面积相当。另外，对于执行相同的计算任务，“天河二号”的耗电量只有“天河一号”的1/3。这意味着“天河二号”有能力去解决一些过去“天河一号”所不能解决的问题。比如回溯地球上的气候变迁历史，“天河一号”可以模拟2000年前的变化，“天河二号”则可以模拟到5000年前甚至更远；采用传统手段研发新车，一般要经过上百次碰撞实验、历时两年多才能完成，而利用“天河二号”进行模拟，只需3到5次实车碰撞、两个月即可实现。

在此次超级计算机500强排名夺冠之后，“天河”也与“天宫”、“神舟”一道，成为国家竞争力的一个象征。专家们表示，今后，全球最快超级计算机的位置将可能出现由中美日三国计算机交替把持的局面。据了解，目前美国拥有全球500强超级计算机的一半以上。中国共有65个超级计算机进入500强榜单，位居第二。日本以30个位列第三。世界上运算速度最快的超级计算机宝座近年来一直被美国、中国、日本三国交替占据。英国、法国和德国分别以29个、23个和19个位列第四至第六位。

中国科学院超级计算中心主任迟学斌表示，最近10年，美国超级计算机性能提升了500倍，中国超级计算机性能则提升了5000倍。这意味着中国超算的发展速度和发展潜力已经进入世界领先行列。3年中两度研发出全球速度最快的超级计算机，短短十几年里拥有超级计算机的数量从零跃居世界第二，这个成绩显示了中国科技实力的巨大进步。不过美国仍是超级计算机运用最为广泛的国家，因为超级计算机500强中，有超过一半属于美国。日本、欧洲也实力强劲，今后的国际竞争将会非常激烈。

未来在超算领域，是既有竞争，也有合作，科学家们对此表示了乐观的态度。据了解，目前国家超级计算天津中心已与欧盟相关研究机构联合开展基于“天河一号”核心技术的并行计算技术研究。美国工程院院士、超级计算机Top500主持人杰克.唐加拉也认为，在工程资金竞争激烈的情况下，一些国家难以承担超级计算机的巨额费用，联合各国共同研制计算机，将使各方受益。

技术走向自主创造

一般人们将摩尔定律表述为计算机芯片的性能每18个月翻一番，但看看超级计算机Top500榜单的变化就会发现，超级计算机的性能其实是每14个月就增加一倍，比摩尔定律预言的更快，这是超级计算机采用了并行处理的结果。据了解，目前超级计算机的基本组成与我们手中的个人电脑相比并无太大差异，规格与性能则强大太多。以处理器CPU为例，目前的个人电脑一般是两到四核，而像“天河二号”这样的超级计算机则会集成数以万计的CPU。

据迟学斌介绍，“天河二号”运算能力和国内外的超级计算机相比处于领先位置。在超级计算机超级运算速度下，人们可以完成普通计算机不能完成的大型复杂课题。假设每人每秒钟进行1次运算，需要我国13亿人同时用计算器算上1000年才能完成的运算工作，“天河二号”花上1小时就能完成。同时“天河二号”由170个机柜组成，内存总容量达到1400万亿字节，存储总容量12400万字节，相当于存储每册10万字的图书600亿册，容得下4个国家图书馆的藏书。

为了自主可控的需要，“天河二号”使用的是国产“麒麟”操作系统，该系统不仅能在超级计算机中运用，其在国家电网d5000项目中已经得到使用，截至2012年底已部署上线3000余节点，广泛应用在全国20余省市。

“天河二号”的另一个独创之处是微异构融合体系。我国科技人员首创的独具匠心的“CPU+GPU异构融合体系”曾在“天河一号”中获得成功，之后这种结构已被国际上很多超级计算机采用。这次中国设计师们再辟蹊径：“天河二号”没有继续使用GPU，而是用被称为MIC的英特尔部件作为加速器。这一被称为“新型异构多态体系结构”的全新搭配方式不仅大大提高了机器的计算速度，还将“天河二号”的应用从科学计算拓展至高效大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多个领域。

为什么有了中国芯，“天河二号”还得使用外国芯片？对此“天河二号”副总指挥李楠坦陈，“天河二号”无法完全使用国产CPU，是出于软件兼容性的需要。“超级计算机有5个核心要素：体系结构、互联技术、操作系统、CPU和应用软件，缺一不可”。李楠说，“天河二号”独创的异构多态体系结构很可能再次引领国际潮流，自主研发的高速互联性能是国际商用产品的两倍，国产“麒麟”操作系统具有很高的安全性。“因此，前三个要素我们都解决得很好，但后两个要素是短板。”

据了解，“天河二号”运用于一般科学计算的计算阵列，是由4000个国产FT-1500和英特尔商用CPU共同构建的。实际上，这两款中央处理器的性能相当接近。单个英特尔CPU集成12个核，主频2.2G赫兹，功耗110瓦。而单个FT-1500集成16个处理器核，主频1.8G赫兹，功耗65瓦，在节能方面甚至更有优势。

“天河二号”作为科技助力，将主要应用于大飞机研发、石油勘探、核电站建设以及大型装备的设计制造等大科学、大工程、产业升级和信息化建设领域。