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中國造超級電腦再“超速”
中國網 china.com.cn  時間: 2010-01-15  發表評論>>

這是科研人員在調試“天河一號”超級電腦系統硬體。

  中國第一台千萬億次電腦“天河一號”,在最近正式發佈的第34屆全球超級電腦TOP500(前500強)排行榜上名列世界第五、亞洲第一。而在前10名當中,它是唯一的非美國産品,使中國成為繼美國之後世界上第2個能夠研製出千萬億次超級電腦的國家。

  這一排行榜由德國曼海姆大學、美國田納西大學、美國能源研究科學計算中心(NERSC)以及勞倫斯伯克利國家實驗室聯合舉辦,如今已發展成為全世界最具權威的超級電腦排行榜,被看作衡量各國超級計算水準最重要的參考依據以及伺服器、超級電腦發展的一個風向標。從1993年起,它以電腦實測速度(Linpack測試值)為基準,對全球已安裝的超級電腦進行排名,每年兩次發佈世界上最快的500台超級電腦。

  近年來,中國已有多臺超級電腦系統進入了TOP500榜單,“天河一號”之前的最好名次是世界第10名(“曙光4000A”和“曙光5000A”)。

  能有多“快”?

  每秒鐘1206.19萬億次的峰值速度和每秒563.1萬億次的Linpack實測性能,使“天河一號”位居同日公佈的中國超級電腦前100強之首。而這個速度意味著,“天河一號”運算1小時,就相當於全國13億人同時“忙活”一輩子(計算88年);只用1天,它便能輕鬆搞定當前一台主流微機(如一台配置Intel雙核CPU、主頻為2.5GHz的微機)需要計算160年的“題目”。

  另據了解,“天河一號”的互聯通信網路的單根線傳輸速率為10Gbps,這是目前國際上最快的速率,相當於在其體內修了一條資訊高速公路。

  不僅“跑得快”,“天河一號”的“胃口”同樣也很不錯——共用存儲總容量為1PB,也就是10億兆(mb)字節。按中國數字圖書館應用軟體的圖片格式PDG為例計算,能夠為全國13多億每人儲存1張大小接近1兆的照片。如果平均每本書大小約10兆的話,那麼“天河一號”的存儲量則相當於4個館藏近2700萬冊的中國國家圖書館藏書量之和。而它的“體形”倒是與飯量相符:103個機櫃,每位身高2米,佔地1.44平方米,重1.5噸,總重量相當於19架中國“神舟”號航太飛船。不過,這在世界上千萬億次超級電腦隊列中算是苗條的。可倘若把通風等條件考慮在內,其“豪宅”需要近千平方米。

  超級電腦又稱“高性能電腦”和“巨型電腦”,是世界上公認的高新技術制高點和本世紀最重要的科學領域之一。“天河一號”是作為中國高技術研究發展計劃(863計劃)中的一個重大項目而于2008年開始設計的(投資約6億元人民幣)。坐落在湖南省會長沙的中國人民解放軍國防科學技術大學是其研製者。1983年面世的中國第一台億次電腦“銀河一號”,也誕生於這所赫赫有名的學校。直接參與“天河”研發的團隊由200多人組成,平均年齡36歲。

  在超級電腦不斷提高運算速度的過程中,“千萬億次”被許多專家認為是一個難以逾越的“關口”與“瓶頸”。美國早在上世紀90年代就提出了做千萬億次超級電腦的目標,可直到2007年才實現。

  “我聽到‘天河一號’研製成功的消息時很震驚,我們原來預計千萬億次的電腦要到2010年底才會在中國出現。”中國科學院軟體研究所並行軟體與計算科學實驗室副主任張雲泉研究員表示,“這是中國超級電腦發展史上新的里程碑。”國防科學技術大學教授竇文華則説,“天河一號”投入使用後,必將推動科學研究的速度。

  只是1年前,即2008年9月,中國剛剛下線自己的第一台超百萬億次超級電腦——“曙光5000A”,運算峰值速度為每秒230萬億次。而僅僅1年後,“天河一號”便將中國超級電腦的峰值性能提升到了每秒1206萬億次。

  也許有人會以為,10台百萬億次的巨型機“綁”在一起就能“提升”為一台千萬億次的“天河一號”。對此,國防科學技術大學電腦學院教授、中國科學院院士周興銘笑曰:“系統的效能絕不是各單元計算效能的簡單疊加。”他解釋説,如果用高性能微處理器直接堆出一個千萬億次的系統,表面上看“幹活”的器件多了,可功率會大得驚人,用戶可能連電費都付不起,同時機器的可靠性很低,根本無法穩定工作。“‘天河一號’採用了7項關鍵技術,從而發揮出機器最大的整體效能。”

  他所提到的7項關鍵技術的名稱,無論中文還是英文,都很“饒騰”,而其中“虛擬化的網路計算支撐技術”字面上似乎還算“好懂”,可外行仍會“不明就裏”。周院士只能“通俗而簡單”地指出,由於採用了一系列的創新技術,“天河一號”具有高性能(千萬億次)和高安全(實現了不同用戶間數據和工作資訊的相互隔離,對用戶來説,相當於到銀行租個保險櫃,鑰匙則掌握在自己手中)等特點。此外,“傻瓜化”的操作介面和功能表等,讓機器使用起來變得很簡單方便。同時,作為一台國際通用的標準化的超級電腦,“天河”上能運行來自各行業的各種程式,不存在相容性問題。

  在國際電腦界看來,從百萬億次提升到千萬億次是一個“質的變化”,不可能通過單純擴大“規模”來實現,而是需要體系結構上的改變。“‘天河一號’採用了創新的多陣列可配置協同並行的體系結構,從而實現了系統性能的提升。”竇文華教授表示,這種體系結構具備構建下一個量級即萬萬億次電腦的能力,將會成為下一代高新電腦的主流結構。

  一直以來,業界都在爭論PC的未來是GPU還是CPU,或CPU+GPU,各方見解不一。而與國際上其他千萬億次超級電腦相比,“天河一號”最突出的不同正在於採用了把CPU和GPU相結合的技術,成為世界上第一台採用CPU/GPU混合異構系統的超級電腦。在其身上(全系統),含有6144個CPU(通用處理器)和5120個GPU(加速處理器),僅系統級軟體就有20多萬行代碼。按照每人每個小時寫20行代碼的速度,需要寫1萬個小時。

  “GPU是用來讀取圖形和視頻的,能不能用來計算?有人認為理論上可以,但實際上做出來的東西不行,通常只能發揮出GPU20%的計算水準。但此次我們將其效率提高到了70%,連生産GPU的國外廠家也很受鼓舞,要求與我們聯合開展研究。”國防科學技術大學校長、“天河一號”工程領導小組組長張育林教授説。這位50年前出生於農村一個貧困家庭、如今擁有將軍軍銜的博士生導師,曾任中國酒泉衛星發射中心主任和基地司令員與載人飛船“神舟六號”飛行任務發射場區指揮長。“通過‘天河一號’,我們走了一條世界上全新的技術路子,把理論上成立但實際上走不通的路子走通了。”

  據他介紹,“天河一號”項目是與天津濱海新區合作完成的。“國家的需求和經濟發展支撐,給我們的關鍵技術提供了轉化為現實成果的機遇。”實際上,不光是電腦領域,國防科學技術大學還擁有自主知識産權的磁懸浮等技術。“這些技術不僅能夠滿足民用需求,更重要的是,項目實施的過程當中又會催生出一大批關鍵技術。”

  會“親民”嗎?

  不了解的人總覺得“天河一號”這樣的超級電腦會“高高在上”,只與科學研究與“高精尖”有關係。“但事實上,在和大眾生活息息相關的各個領域,我們都可以看到超級電腦的身影。”周興銘院士説。

  “天河一號”要把家安在天津濱海新區而作為兩個國家級超級計算中心之一的天津中心的主機,與位於深圳的中心“一北一南”形成中國高科技發展的重要引擎。但它們又是全球公共科研設施,將對國內外用戶開放,也並非專業科學研究者的“專利”。“無論身在何處,大家都可以通過互聯網共用使用它。”國防科學技術大學電腦學院“天河一號”工程辦公室主任李楠研究員認為,隨著超級電腦的服務能力在未來的進一步拓展,很可能會誕生一個龐大的巨型機服務産業,面向個人用戶提供服務。

  “在現代科學技術發展中,計算已經成為與理論和實驗並行的第3大引擎。”國家超級計算天津中心主任劉光明表示,“‘天河’的平臺是開放的,我們願意與全世界共用中國的創新成果。”很多涉及民生與安全的研究無法在現實世界中進行實驗,如地震、洪水或恐怖襲擊等災難,需要有超級電腦進行模擬和倣真。專家稱,還有一些複雜的大型問題的求解也需要它,像地球物理探測、對天體演變研究、對上億人口的社會學研究等。

  對“普通人”來説,其日常生活實際上也越來越離不開超級電腦了。現在最常見的天氣預報就是超級計算的結果。“使用超級電腦後,預報的精度範圍可以縮小到邊長幾百米的區域與某個特定時間段,預報內容也更豐富了,就好比以前只能預報海澱區是否下雨,現在則可以預報‘目前’北京大學會不會有雨,風力幾級……”張雲泉研究員説。

  目前人們所用的汽油、燃氣等能源也正有勞于超級電腦幫助勘探出來。據介紹,“天河一號”投入使用後的首批重大應用項目就是找石油與資源勘探;還用於航空航太裝備設計研製和衛星遙感數據處理以及環境控制、生態動力與污染數值模擬;進行金融工程數據分析(金融産品投資運用超級電腦計算是否盈利能精確到幾分幾秒出手);研究生物制藥——以電腦模擬的手段,科學家可以在比較短的時間內從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物,從而大大縮短藥物研發的週期……

  “上網搜索和玩遊戲同樣要靠超級電腦支撐。”李楠研究員舉例説,很多動漫影片也是用它們製作的。而張育林校長説得更乾脆:中國動漫水準還比較差,一個原因就是沒有與超級電腦結合。曾幾何時,製作一部動漫作品需要好幾年,應用電腦後可以縮短到幾個月,而使用超級電腦則能縮至幾分鐘。“天河一號”有5120塊顯卡,速度是一般家用電腦的2萬倍。

  毫無疑問,應用正“拉動”需求,但張育林校長強調,基礎學科的發展才是最根本的驅動力。“核心關鍵技術往往屬於基礎學科,需要長期的技術和人才積累,難以在一朝一夕完成跨越。”他指出,目前中國受經濟發展水準限制,基礎學科的投入仍然不夠,同時社會上存在浮躁情緒,“願意賣高爾夫球桿但不願意做球桿上的碳纖維;想賣電腦卻不想做CPU……我們在做大系統的同時,一定要站在科技最前沿加強基礎科學。”

  專家預計,未來10年左右,超級電腦將達到每秒百萬萬億次,也就是目前千萬億次的1000倍。但要實現這個目標,必須在硬體、軟體等方面取得重大創新和關鍵技術突破,如新的奈米器件、光器件的研製和投入使用;發明新的編程方法以及管理維護這個大系統的方式方法。否則即使是機器做出來了,用戶也無法使用,或者是很難使用。

文章來源: 北京週報 責任編輯: 雨悅
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