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國防科技大學研究員張衛民為您講述:超級計算機進化之路

來源:解放軍報作者:韓雪 姚建興 王微粒責任編輯:王鳳
2021-05-28 17:20

2021年5月16日,國家衛健委透露,全國已累計報告接種新冠病毒疫苗40693.8萬劑次。在這場全國民眾共同參與的抗疫斗爭背后,有一個功能超強的“神器”——超級計算機,悄然發揮著巨大作用。

借助超級計算機的大規模高性能計算能力,藥物與疫苗研發、CT篩查和疾控數據系統等工作得以加快進行。在這場沒有硝煙的戰斗中,超算又一次成為人類的得力助手。

回首幾千年文明史,計算工具始終是人類認識世界、改造世界的重要工具,但從未有一種計算工具能像超級計算機那樣,出現的時間最晚、發揮的作用最大、影響的領域最廣。

如果把計算工具看成托舉人類文明拾級而上的一座階梯,階梯那頭王座上那顆最璀璨的明珠非超級計算機莫屬。

國防科技大學研究員張衛民為您講述——

追求更快:超級計算機進化之路

■韓雪 姚建興 解放軍報特約記者 王微粒

世界首臺超級計算機CDC6600。

我國首臺超級計算機“銀河一號”。

“超級工廠”里打造出神奇“流水線”

湖南長沙,國防科技大學天河樓內。嗡嗡作響的超級計算機機房時常會出現慕名而來的訪客。盡管只能看到一排排整齊的機柜,但訪客依興致盎然、意猶未盡。在人們眼中,這個“大家伙”始終蒙著一層神秘面紗。

如果把超級計算機看成一座高速運轉的“數據工廠”,那么這座“工廠”的產出則源于一條“流水線”。

1964年,世界第一臺向量超級計算機CDC6600橫空出世。這一安裝了35萬個晶體管的龐然大物,運算速度達300萬次/秒,是其他電腦的10倍。在它的研制過程中,設計者西蒙·克雷創造性地采用了向量結構,為這座“超級工廠”打造一條全新且高速的“流水線”。

隨后,為了讓這座“超級工廠”效率更高,西蒙·克雷又研制出新一代并行向量超級計算機。它不再像過去只能進行串行計算,而是一次可執行多個指令的并行計算。這相當于為這座“超級工廠”增加多條“流水線”來同步工作。

然而,“流水線”的增加終有極限,因為“廠子”就那么大。怎么辦?業內出現了兩種研究方向:提高“流水線”效率和繼續增加“流水線”數量。爭論中,西蒙·克雷拋出了那個經典問句:“若是耕地,你會選擇1024只雞還是2頭強壯的牛?”就當時而言,選擇了“2頭強壯的牛”的西蒙·克雷無疑是對的。

科學的進步往往都是從挑戰權威開始的。當爭論愈演愈烈時,微處理器技術的發展給出了答案:縮小“流水線”。當時正值冷戰時期,美軍正在尋找應用在坦克、導彈上運算速度最快的計算機,大規模并行機器的性價比讓西蒙·克雷所在的克雷公司全無招架之力。隨著冷戰結束與新技術出現,“2頭強壯的牛”最終輸給了“1024只雞”,大規模并行超級計算機登上歷史舞臺。

時代發展至今,“超級工廠”的“流水線”又呈現出新的趨勢:“通用硬件+通用操作系統”的思路,打破了原有大規模并行超級計算機的單獨定制門檻,讓“堆機器”成了新玩法——只要你的設備夠多,用手機也能連出一臺超級計算機。這也就是今天最主流、使用最廣泛的異構并行超級計算機。

從向量計算到并行計算再到大規模并行、異構并行,在超級計算機誕生不到50年時間里,人類為了追求最高算力可謂“無所不用其極”。也正因這種執著,人類社會才一步步向前發展。

“天河一號”超級計算機。

“天河二號”超級計算機。

超算家族增添一副副“中國面孔”

我國的“銀河”系列、“天河”系列、“曙光”系列、“深騰”系列、“神威”系列等超級計算機如雨后春筍般接連問世。在世界超級計算機排行榜上,“天河二號”摘取六連冠,“神威·太湖之光”亦實現四連冠……

細數當今超算家族,美國、日本、法國、德國等數十個國家均在其列。但要說起超算家族的故事,就不能不提其中的“中國面孔”和中國貢獻。

中國超算的故事要從43年前說起。

1978年,中國科技“開春”的那一年,鄧小平同志提出:“中國要搞四個現代化,不能沒有巨型機!”那年,國防科技大學教授慈云桂立下了研制巨型機的軍令狀:每秒一億次一次不少,六年時間一天不拖,預算經費一分不超!

在一片荒蕪之中建超級計算機,難度可想而知。走什么樣的技術路線?采取什么樣的體系結構?如何實現每秒一億次的運算速度……一個個問題擺在超算團隊面前。

跟所有科研攻關一樣,在漫長而平淡的日子里,難題被一一解開。1983年,比慈云桂立下軍令狀計劃完成時間還早了一年,中國第一臺超級計算機“銀河一號”問世。中國成為世界上第3個研制出超級計算機的國家,使超算家族首次出現“中國面孔”。

隨后的幾十年里,這張“面孔”不斷刷新,一次又一次地向世界超算家族貢獻出自己的智慧。

2010年,“天河一號”超級計算機研制成功,其峰值運算速度達4700萬億次/秒,一躍成為世界第一。它運算1小時,相當于13億人同時計算340年以上。其后短短兩年半時間,“天河二號”再登世界超算之巔,峰值性能提升至5.49億億次/秒。

值得一提的是,中國超算的“CPU+GPU異構融合體系”具有低能耗、低成本、高集成度等優點,為此這種結構逐漸成為國際主流。

中國技術推動世界億億次級超算水平躍上新高度,也在世界超算發展史上留下中國創造的深深印記。

“神威·太湖之光”超級計算機。

超級計算機深刻影響著民眾生活

在人類歷史上,從未有一種計算工具像超級計算機那樣深刻影響著民眾生活。

從軍用的模擬核試驗到民用的天氣預測,從太空探索到人類基因測序……無論是人類眺望的“詩和遠方”,還是人們日常生活的方方面面,處處離不開超級計算機。

曾經,超算中心在濟南做了一場特殊實驗。超級計算機預測,第二天局部地區會有小雨,甚至連哪里下雨下多少雨都算了出來。果真,在遙墻機場附近出現了零點幾毫米的降雨。這場毛毛細雨對于天氣預報來講很難判斷,但還是被超級計算機靈敏地捕捉到了。

現在的氣象預報,主要采取數值運算的方法。即把遙感衛星采集的氣象值,如風速、壓力、溫度、濕度等海量數據經過超級計算機的復雜數學運算,再求解大氣動力學和熱力學方程組,最后得出結果。

這種運算涉及信息量極其龐大,運算過程極其復雜,只有超級計算機才能勝任這項任務。而且,隨著計算能力的不斷提升,天氣預報也會更加精準。也許在不久的將來,天氣預報不再是“局部地區有小雨”,而是在一墻之隔,準確地預報出“東邊日出西邊雨”。

除感知風雨雷電之外,超級計算機在智慧城市建設中構建天地圖,在動畫制作、電影渲染上大放異彩,更在探索宇宙、大飛機制造、新型材料生成等方面獨領風騷。而這一切,離超級計算機誕生還不到半個世紀。

半個世紀,對人類歷史來說,不過是長弧線上的一個小小段落。然而,就在這小小段落里,超級計算機已延伸成為人類的“第三只手”,幫助我們觸及那些曾經看得到卻摸不到的領域;也成長為人類的“第二大腦”,在探索未知世界時“思考”得越來越快。

沒有最快,只有更快。如今,人們依然在孜孜不倦地挖掘和創造著超級計算機的最大算力。這或許就是科學家們最純粹的初心——對遙遠未知的探索和對美好生活的創造。

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