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   《經濟日報》，2013年6月24日

   6月17日，最新全球超級計算機500強排行榜榜單公布，中國國防科學技術大學研制的天河二號以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度，成為全球最快的超級計算機。這是時隔兩年半后，中國再一次獲得世界超級計算機運算速度第一的桂冠。

   在2013國際超級計算大會上，專家們認為，天河二號的性能表明，中國的超級計算機取得了飛躍。超級計算機的開發,已經真正進入了美中日歐并立的四強時代。

   為何還得用 外國芯？

   時至今日，計算機早已成為進入千家萬戶和廠礦學校的日常工具，大眾對其并不陌生。然而什么是超級計算機？

  其實，超級計算機的基本組成與你我手中的個人電腦相比并無太大差異，規格與性能則強大太多。以處理器CPU為例，目前的個人電腦一般是兩到四核，而像天河二號這樣的超級計算機則會集成數以萬計的CPU。這就好比雙人戰斗小組和集團軍的區別，前者靈活機動，用于完成各種個性化小任務；后者威武雄壯，用于達成各類關系重大的戰略目標。

   在超級計算機超級運算速度下，人們可以完成普通計算機不能完成的大型復雜課題。假設每人每秒鐘進行1次運算，需要我國13億人同時用計算器算上1000年才能完成的運算工作，天河二號花上1小時就能搞定了。

   天河二號的性能在全世界超級計算機中可以稱得上是“一騎絕塵”，它把第二名遠遠地拋在了后面。排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學教授杰克•唐加拉曾于今年5月對天河二號進行了現場考察。他在研究報告中指出，標準測試顯示，天河二號運算速度比排行榜上的亞軍——美國的“泰坦”快了74%。唐加拉表示：“天河二號頗富中國特色，互聯網絡、操作系統、前端處理器、軟件等都主要由中國技術人員發明創造。”

  一騎絕塵的天河二號是中國人的驕傲，但這種驕傲里也不乏遺憾：天河二號的計算陣列由國際商用CPU構建，服務陣列由中國自主研制的CPU“飛騰1500”構建。國產CPU僅僅占全部CPU的1/8。

  當然，人們也可以從另一個角度看成績，比如說，國產CPU已經占全部CPU的1/8。美國勞倫斯•伯克利國家實驗室副主任霍斯特•西蒙就是采取的這種視角。他表示，盡管天河二號仍主要采用英特爾公司芯片，但中國自主研發的芯片達到4000塊左右，顯示出中國超級計算機對國外技術的依賴正在減弱。“在一些美國傳統的領先領域，中國正切切實實地加入比賽，并且獲得勝利。”

  為什么有了中國芯，天河二號還得用外國芯？

  天河二號副總指揮、新聞發言人李楠坦陳，天河二號無法完全使用國產CPU，是出于軟件兼容性的需要。

  超級計算機有5個核心要素：體系結構、互聯技術、操作系統、CPU和應用軟件，缺一不可。李楠說，天河二號獨創的異構多態體系結構（見鏈接1）很可能再次引領國際潮流，自主研發的高速互聯性能是國際商用產品的兩倍，國產“麒麟”操作系統具有很高的安全性。“因此，前三個要素我們都解決得很好，但后兩個要素是短板。”

  “飛騰1500”性能比用于天河一號的“飛騰1000”提高了18倍，與國際商用CPU已經屬于同一代產品。但目前我國大多數大型應用軟件都從國外引進，只能在國際商用CPU上運行。如果全部使用國產CPU打造超級計算機，將只能用于天氣預報等我國擁有自主知識產權應用軟件的行業。而天河二號需要面向各領域用戶，只能用國際商用和國產的CPU共同構建系統。

  異構多態體系結構：

  體系結構是超級計算機的筋骨。

  我國科技人員首創的獨具匠心的“ＣＰＵ＋ＧＰＵ異構融合體系”曾在天河一號中獲得成功。之后，這種結構已被國際上很多超級計算機采用。

  這一回，中國設計師們再辟蹊徑：天河二號沒有繼續使用ＧＰＵ，而是用被稱為ＭＩＣ的英特爾部件作為加速器。這一被稱為“新型異構多態體系結構”的全新搭配方式不僅大大提高了機器的計算速度，還將天河二號的應用從科學計算拓展至高效大數據處理、高吞吐率和高安全信息服務等多個領域。

  第一名的大旗 能扛多久？

  風云變幻的世界超級計算機500強排行榜，鮮明地體現著“皇帝輪流做，明年到我家”的自由競技精神。冠軍的寶座常常不等捂熱，就被新的競爭對手奪去。天河二號的哥哥天河一號曾于2010年奪冠，此后不足8個月，就被日本的超級計算機“京”超越。

  所以人們不禁要問：對天河二號來說，第一名的大旗能扛多久？

  大多數專家認為，因為領先第二名太多，天河二號的冠軍稱號應該至少能保持一年，沒準還能維持到2015年。內存總容量1400萬億字節、存儲總容量12400萬億字節、最大運行功耗17.8兆瓦的天河二號，與第二名（也是前冠軍）的美國“泰坦”相比，持續計算速度約是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比則相當。
中國科學院超級計算中心主任遲學斌的統計表明，最近10年，美國超級計算機性能提升了500倍，中國超級計算機性能則提升了5000倍。這意味著中國超算的發展速度和發展潛力已經進入世界領先行列。

  3年中兩度研發出全球速度最快的超級計算機，短短十幾年里擁有超級計算機的數量從零躍居世界第二，這個成績顯示了中國科技實力的巨大進步。不過美國仍是超級計算機運用最為廣泛的國家，因為超級計算機500強中，有超過一半屬于美國。日本、歐洲也實力強勁，今后的國際競爭將會非常激烈。

  過去30年，高性能計算機發展驚人，其性能每10年提高1000倍。如今，一臺個人掌上電腦Ipad2的速度，就相當于1985年的超級計算機世界冠軍Cray2。超級計算機的發展速度甚至超過了廣為人知的摩爾定律。（見鏈接2）

  未來的超級計算機將是什么模樣？在一些科幻小說及電影中，人們已經設想了更高級的超級計算機，例如將全球電腦融為一體的超級電腦。但現實中的競爭如此激烈，理想中的合作是否可能？

  科學家們對此表示了樂觀的態度，李楠就從中看到了合作機遇。他說，將來的超級計算機技術越來越復雜，編程、能耗等眾多問題非一國科學家能夠解決，所需資金也會是一個龐大的數字。更重要的是，氣候、能源、生命科學、宇宙科學等關系人類未來命運的全球性問題，離不開全球性的解決方案，離不開全球科學家協同創新。

  目前，國家超級計算天津中心已與歐盟相關研究機構聯合開展基于天河一號核心技術的并行計算技術研究。李楠認為，未來應該建立國際性的超算中心作為共同應對挑戰的平臺。“集中全球智慧發展高性能計算是人類長遠發展的需要，也是我們中國計算機科學家的愿望。我相信這一天不會太遠。”

  美國工程院院士、超級計算機Top500主持人之一杰克•唐加拉也認為，在工程資金競爭激烈的情況下，一些國家難以承擔超級計算機的巨額費用，聯合各國共同研制計算機，將使各方受益。

  摩爾定律：

   我們從廣義上將摩爾定律表述為計算機芯片的性能每18個月翻一番。看看Top500榜單的變化你會發現，超級計算機的性能其實是每14個月就增加一倍，比摩爾定律預言的更快。這是計算機采用了并行處理的結果。

   超級計算機到底能算啥？

   顧名思義，超級計算機，最強大的就是它們的超級計算力。可是超級計算機到底能算啥？

   哈勃望遠鏡看不到億萬年前的太空，計算機能算出來。實驗無法預知未來氣候，計算機能算出來。海嘯來襲速度極快，但美國科學家最近在超級計算機上發現了海嘯和地震聲波的關系，可以通過探測聲波提前預警。超級計算機能算出這些關系人類未來生存和發展的大科學問題，這就是超算發展的根本驅動力。

  “超級計算機是高度復雜的科學構體，就像能夠預知未來的水晶球。”杰克•唐加拉說，“未來氣候變化、星系撞擊、藥物設計，這一切都可以在計算機上進行模擬。高性能計算讓我們能夠更深入地觀察問題，解析度和結果的逼真度更高，當然，求得結果的速度也更快。比如天氣預報。如果計算機很慢，要想知道明天天氣怎樣，也許得24個小時。那么運算就失去意義了——24小時后你完全可以朝窗外看看天氣怎樣即可。因此，我們要求計算機速度快、求解精確，這兩項指標都得靠高性能運算。”

  從天河二號與此前超級計算機的對比，我們也能看到超級計算機的性能進步對解決實際問題的影響。用于科研：回溯地球上的氣候變遷歷史，天河一號可以模擬2000年前的變化，天河二號則可以模擬到5000年前甚至更遠。用于藝術：電影《阿凡達》動漫渲染制作耗時一年多完成，如果用天河二號，僅用１個月就可完成。用于工業：傳統手段研發新車要經過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3到5次實車碰撞、兩個月即可實現。

  事實上，想用天河二號做算術題的用戶已經排上了大隊。天河二號將作為廣州超級計算中心的主機，在2013年下半年安裝交付。而國家超級計算天津中心主任劉光明透露，天河二號研制成功后，很多天津中心天河一號的老用戶已經迫不及待地提出對天河二號的使用申請。

  超算是一種能力，這種能力可能用于各個方面。只要發現規律、建立數理模型、寫出應用軟件，就能把超級計算機的計算能力轉化為具體成果。超級計算機到底能算啥？那要看你能教它算啥。