高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)，是世界發(fā)達(dá)國家爭搶的重要“制高點(diǎn)”，對(duì)國家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，具有舉足輕重的支持作用。因此加快發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)，推廣超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，對(duì)于我國科學(xué)研究、推動(dòng)科技創(chuàng)新和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。
40多年來，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從無到有、從跟跑到局部領(lǐng)先、從關(guān)鍵核心技術(shù)引進(jìn)到實(shí)現(xiàn)自主可控的艱難發(fā)展歷程。
勇于突破封鎖
我國超算技術(shù)不再受制于人
“多年來，中、美、日等國在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的競爭，實(shí)際就是科技實(shí)力與綜合國力的競爭。”中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員張?jiān)迫f，我國幾代超算人前赴后繼，創(chuàng)造出了不起的“奇跡”。截至目前，天河二號(hào)、“神威·太湖之光”等國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)，在國際超級(jí)計(jì)算機(jī)大賽上，共拿下10個(gè)世界第一。
超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”。圖片來源：中國新聞網(wǎng)
在國家超級(jí)計(jì)算無錫中心主任楊廣文的記憶中，上世紀(jì)70年代，首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)問世后，國際上對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的需求猛增。發(fā)達(dá)國家在重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)取得了多方面的突破。當(dāng)時(shí)，美國、日本等國在一些關(guān)鍵核心技術(shù)上，對(duì)中國全面封鎖。
那時(shí)，我國由于沒有高性能的計(jì)算機(jī)，部分石油礦藏?cái)?shù)據(jù)和資料不得不用飛機(jī)送去國外處理，不僅費(fèi)用昂貴，而且受制于人。
當(dāng)時(shí)，我國曾向某發(fā)達(dá)國家提出進(jìn)口一臺(tái)性能不算很高的超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)方卻回復(fù)：必須要為這臺(tái)機(jī)器建一個(gè)六面不透光的“安全區(qū)”，能進(jìn)入“安全區(qū)”的只能是巴黎統(tǒng)籌組織的工作人員。
1978年，黨的十一屆三中全會(huì)召開，拉開了改革開放的序幕。也就是在這一年，我國正式啟動(dòng)巨型計(jì)算機(jī)的研制工作。
“為什么要研制自己的巨型計(jì)算機(jī)？因?yàn)橹袊闼膫€(gè)現(xiàn)代化，不能沒有巨型計(jì)算機(jī)！”楊廣文告訴科技日?qǐng)?bào)記者，超級(jí)計(jì)算機(jī)由大量的計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)由一些CPU（中央處理器）組成，計(jì)算節(jié)點(diǎn)由高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接起來。除此之外，整個(gè)系統(tǒng)還包括大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和冷卻系統(tǒng)等。因此短時(shí)間內(nèi)，我國要想在超級(jí)計(jì)算機(jī)核心技術(shù)上取得重大突破、跑在世界前列，不是一件容易事。
然而，我國的科研人員并未被眼前的困難嚇倒。當(dāng)時(shí)，他們腦子里只有一個(gè)念頭：早日造出中國人自己的巨型計(jì)算機(jī)，技術(shù)上不再受制于人。
從1978年到1983年，這5年里，承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，沒日沒夜的頑強(qiáng)拼搏，解決了無數(shù)個(gè)基礎(chǔ)理論、技術(shù)和制造工藝問題，攻克了數(shù)以百計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)造性地提出了“雙向量陣列”結(jié)構(gòu)并完成整體設(shè)計(jì)，比原計(jì)劃提前一年成功研制出“銀河-Ⅰ”巨型計(jì)算機(jī)。
1983年12月26日，我國第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)“銀河-Ⅰ”正式通過國家技術(shù)鑒定，系統(tǒng)達(dá)到并超過了預(yù)定的性能指標(biāo)，機(jī)器整體穩(wěn)定可靠，且經(jīng)費(fèi)只用了原計(jì)劃的1/5。
這標(biāo)志著中國成為世界上少數(shù)幾個(gè)能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制億次巨型計(jì)算機(jī)的國家。
面向國家需求
實(shí)現(xiàn)真正安全自主可控
“從2002年之后，經(jīng)過15年的高速發(fā)展，中國超算實(shí)現(xiàn)了安全、自主、可控?！睏顝V文說。
近10年來，我國從基于自主可控超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與應(yīng)用、服務(wù)于國家特殊需要和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展考慮，重新布局了超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制工作。
“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立了“高性能計(jì)算”重點(diǎn)專項(xiàng)，在高性能計(jì)算機(jī)研制、系統(tǒng)軟件及應(yīng)用等方面給予布局支持。其中，研制“神威·太湖之光”就是國家重點(diǎn)組織開展的一項(xiàng)重大科研任務(wù)。
2013年4月22日，江蘇省人民政府正式提出在無錫市建設(shè)10億億次超級(jí)計(jì)算中心，得到科技部的支持；2014年3月5日，科技部同意“高效能計(jì)算機(jī)及應(yīng)用服務(wù)環(huán)境（二期）”重大項(xiàng)目立項(xiàng)；2015年12月31日，“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)研制完成。
用相關(guān)專家的話來說，隨著“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)和“申威26010”處理器等標(biāo)志性成果的出現(xiàn),打破了長期以來國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)無“芯”可用的局面,奠定了安全、自主、可控的國產(chǎn)平臺(tái)技術(shù)基礎(chǔ)。
記者了解到，“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成。每臺(tái)運(yùn)算機(jī)柜包含4個(gè)由32塊運(yùn)算插件組成的超節(jié)點(diǎn)，每塊插件由4個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板組成，一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板又包含兩塊“申威26010”高性能處理器。
“一臺(tái)機(jī)柜就有1024塊處理器，‘神威·太湖之光’共有40960塊處理器?！睏顝V文說。
值得一提的是，“神威·太湖之光”也是我國第一臺(tái)全部采用國產(chǎn)處理器構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)。截至目前，其以每秒9.3億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度，連續(xù)4次在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)比賽中奪冠。其中，2016年11月，“神威·太湖之光”以較大的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì)再次奪得世界超算冠軍，基于該超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的高性能計(jì)算應(yīng)用項(xiàng)目獲得國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)——“戈登貝爾”獎(jiǎng)，成為我國高性能計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)里程碑式的成就。
“讓基于自主可控超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與應(yīng)用登上國際巔峰，做強(qiáng)國產(chǎn)軟件，這是我們超算人的追求與夢(mèng)想?！眹页?jí)計(jì)算無錫中心研發(fā)中心主任甘霖說。
比拼應(yīng)用水平
讓大機(jī)器發(fā)揮出大作用
“超級(jí)計(jì)算機(jī)為解決工程和科學(xué)中的重大難題而生。”國家超級(jí)計(jì)算無錫中心副主任付昊桓說，衡量超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)值，不能只看運(yùn)算速度，還要看應(yīng)用水平。
“比拼誰的超級(jí)計(jì)算機(jī)‘跑’得更快，這種競賽曾一度在中、美、日、韓等國之間進(jìn)行。不過，現(xiàn)在大家比的是，超級(jí)計(jì)算機(jī)能被用在什么領(lǐng)域，這成為如今競爭的關(guān)鍵點(diǎn)?！睏顝V文說。
那么，該如何讓大機(jī)器發(fā)揮出大威力？
在楊廣文看來，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心主要的職責(zé)就是運(yùn)維，運(yùn)維的目的就是用好這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。
近7年來，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心的科研團(tuán)隊(duì)不負(fù)眾望，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過開展跨學(xué)科、跨單位的廣泛交叉合作，使基于“神威·太湖之光”系統(tǒng)的并行應(yīng)用成果頻出。其中，利用“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)每秒10億億次的超強(qiáng)計(jì)算力，研發(fā)出的有關(guān)氣候模擬、地震模擬、工業(yè)仿真、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的一系列國產(chǎn)應(yīng)用軟件，助力我國基礎(chǔ)研究和工程創(chuàng)新，展示了國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件與軟件相結(jié)合的巨大潛力。
這是“神威太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)。新華社記者李響攝
2017年11月17日，在美國丹佛舉行的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，由中國科研團(tuán)隊(duì)完成的“非線性地震模擬”再獲“戈登貝爾”獎(jiǎng)。利用“神威·太湖之光”的強(qiáng)大計(jì)算能力，該團(tuán)隊(duì)成功地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可擴(kuò)展性的非線性地震模擬工具。該工具首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)唐山大地震發(fā)生過程的高分辨率精確模擬，使得科學(xué)家可以更好地理解唐山大地震所造成的影響，并對(duì)未來地震預(yù)防預(yù)測(cè)等具有重要的借鑒意義。
此外，楊廣文表示，超級(jí)計(jì)算機(jī)還能為人工智能領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)服務(wù)?！艾F(xiàn)在，許多IT公司的技術(shù)負(fù)責(zé)人找到我們，主要因?yàn)槲覀冮_發(fā)了大量基于深度學(xué)習(xí)算法的并行軟件，研發(fā)了一個(gè)深度學(xué)習(xí)平臺(tái)swCaffe。目前，我們已開展的、基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，包括圍棋、語音識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別、遙感圖像分類、地震波余震特征識(shí)別、大規(guī)模冷凍電鏡生物大分子模型高精度重構(gòu)等?！睏顝V文說。
楊廣文告訴記者，目前國家超級(jí)計(jì)算無錫中心“神威·太湖之光”系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶數(shù)量不斷增加，機(jī)器利用率已超過50%，已完成200多項(xiàng)百萬核大型問題的求解任務(wù)，涉及航空航天、先進(jìn)制造、生物醫(yī)藥、新材料、新能源等重點(diǎn)領(lǐng)域，有效地支持了國家科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。
這些重要的應(yīng)用成果在國內(nèi)外引起了巨大反響，這證明“神威·太湖之光”能夠支持具有戰(zhàn)略需求的挑戰(zhàn)性應(yīng)用，并向世界展示了中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的國際地位和重要影響力。
值得一提的是，近年來，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心高度重視人才引進(jìn)與培育。目前，該中心擁有國內(nèi)外特聘專家30余人，專業(yè)涉及計(jì)算機(jī)軟硬件開發(fā)、氣象氣候、生物基因、海洋物理、力學(xué)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等。此外，該中心每年還承擔(dān)清華大學(xué)在讀博士生、碩士生的培養(yǎng)任務(wù)。
楊廣文表示，未來我國科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞提升國家科技創(chuàng)新能力，以“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)， 進(jìn)一步解決氣候、環(huán)境、生命、材料和制造等領(lǐng)域的重大科學(xué)問題，研究高性能計(jì)算的核心技術(shù)、提升高性能計(jì)算的應(yīng)用水平、培養(yǎng)高性能計(jì)算人才，為我國基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。
親歷者說
付昊桓：讓“神威·太湖之光”物盡其用
記者見到付昊恒時(shí)，這位國家超級(jí)計(jì)算無錫中心（以下簡稱無錫中心）副主任、清華大學(xué)地學(xué)系長聘教授身著白色工作服，正與團(tuán)隊(duì)人員討論新的測(cè)試任務(wù)。
“在發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)方面，我們與國外比拼的不只是速度，更要比應(yīng)用。目前，在應(yīng)用方面，可以說，我國已比肩一些發(fā)達(dá)國家。”付昊桓說。
如今，“神威·太湖之光”在世界超算領(lǐng)域的地位舉足輕重，這離不開付昊桓等一批科研人員的付出。
國家超級(jí)計(jì)算無錫中心供圖
2015年夏天，付昊桓帶著一批青年科研人員來到無錫中心。他要做的就是，解決超算應(yīng)用難題并培養(yǎng)相關(guān)人才。
“我們要讓‘神威·太湖之光’物盡其用，更好地服務(wù)于國家需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?！备蛾换刚f。
付昊桓告訴記者，他們剛到無錫時(shí)，無錫中心還處于初建階段，條件相對(duì)簡陋，但能利用國產(chǎn)超算平臺(tái)推進(jìn)應(yīng)用軟件的發(fā)展，團(tuán)隊(duì)所有成員都感到無比興奮和激動(dòng)?！爱?dāng)時(shí)，我們是作為用戶去的，準(zhǔn)備用暑期3個(gè)月的時(shí)間，在這臺(tái)全新的超算上研發(fā)出一款氣候模擬軟件?！彼f。
然而，誰也沒想到，從此“神威·太湖之光”成為付昊恒人生的重要版圖。2015年底，付昊桓被任命為無錫中心副主任，除了承擔(dān)研發(fā)工作外，他還要帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)支持各領(lǐng)域的科學(xué)家開展系統(tǒng)研究。
付昊桓對(duì)無錫中心的定位，不僅是運(yùn)維一臺(tái)厲害的計(jì)算機(jī)，而是要將其打造成為一個(gè)能匯聚用戶、匯聚研究者的科創(chuàng)中心。事實(shí)上，要把無錫中心真正搞起來，并不容易，必須克服一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。
“超算應(yīng)用是一個(gè)交叉學(xué)科，只有上下都貫穿起來，才能系統(tǒng)性地解決問題?！备蛾换刚f，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)剛開始進(jìn)行交叉學(xué)科研究有些痛苦，但經(jīng)過一段時(shí)間的磨合后，就能看到學(xué)科間碰撞出的“火花”。
付昊桓告訴記者，更大的挑戰(zhàn)則來自軟件的生態(tài)。原有基于x86架構(gòu)設(shè)計(jì)的大量科學(xué)及工程計(jì)算軟件，無法直接在“神威·太湖之光”上高效運(yùn)行。因此團(tuán)隊(duì)首先要對(duì)軟件進(jìn)行代碼的轉(zhuǎn)換、移植乃至重新設(shè)計(jì)。
“正常的應(yīng)用也就幾千到幾萬行代碼，而我們當(dāng)時(shí)面對(duì)的地球系統(tǒng)模式代碼有近百萬行?！备蛾换刚f，這百萬行代碼的轉(zhuǎn)換過程盡管非常艱難，充滿了挑戰(zhàn)，但也很有趣。
功夫不負(fù)有心人。通過與不同領(lǐng)域科學(xué)家的合作，付昊桓帶著研發(fā)團(tuán)隊(duì)以多維度并行及系統(tǒng)性優(yōu)化的新方法，成功解決了上述軟件方面的問題。
近6年來，付昊桓帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，利用“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)出氣候模擬、地震模擬、工業(yè)仿真、生物醫(yī)藥等一系列國產(chǎn)應(yīng)用軟件。
在付昊桓看來，計(jì)算無極限，挑戰(zhàn)無止境。把世界領(lǐng)先的計(jì)算力轉(zhuǎn)化為科研和產(chǎn)業(yè)上的價(jià)值，這僅僅只是開始。要想讓我國超算贏在未來，就必須加快培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型專業(yè)人才。因此，近年來，付昊桓十分注重對(duì)人才的培養(yǎng)。
如今，令付昊恒欣慰的是，研究團(tuán)隊(duì)里幾位“90后”成員已經(jīng)站上了高性能計(jì)算應(yīng)用研究領(lǐng)域的國際舞臺(tái)。其中，他親自指導(dǎo)的博士生甘霖，于2018年榮獲IEEE高性能專委會(huì)杰出新人獎(jiǎng)。
大事記
1983年11月
我國第一臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)“銀河-Ⅰ”誕生
2009年10月
我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”誕生
2010年
我國研發(fā)出第一臺(tái)實(shí)測(cè)性能超千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“星云”
2014年11月
“天河二號(hào)”第四次獲得全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單冠軍
2016年6月
“神威·太湖之光”首次奪得全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單冠軍
2016年11月
基于“神威·太湖之光”的應(yīng)用首次獲得“戈登貝爾”獎(jiǎng)
2017年11月
“神威·太湖之光”第四次獲得全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單冠軍
2017年11月
基于“神威·太湖之光”的應(yīng)用再獲“戈登貝爾”獎(jiǎng)
◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 過國忠 通訊員 段 芳
來源：科技日?qǐng)?bào)
編輯：張琦琪
審核：朱麗
終審：何屹
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