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來源：經(jīng)濟日報 

    “天河二號”是國防科大承擔完成的國家863計劃和“核高基”國家科技重大專項項目，2013年11月在國家超算廣州中心投入運行，向國內外用戶開放使用。目前，“天河二號”已構建起材料科學與工程計算、生物計算與個性化醫(yī)療、全數(shù)字設計與裝備制造、能源及相關技術數(shù)字化設計、地球科學與環(huán)境工程計算、智慧城市與大數(shù)據(jù)處理等六大應用服務平臺，先后在基因分析與測序、大型飛機和高速列車設計、生物醫(yī)藥、電子政務及智慧城市等方面發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

    在2014年11月20日召開的世界超級計算機大會上，“天河二號”在國際TOP500組織首次正式發(fā)布的超級計算機高性能共軛梯度（HPCG）基準測試排行榜上，位居世界第一。此前，由該組織發(fā)布的第四十四屆世界超級計算機500強排行榜中，“天河二號”再次位居榜首，獲得世界超算“四連冠”。近日，《經(jīng)濟日報》記者采訪了“天河二號”研究團隊相關人員、國家超算天津中心負責人，以探尋國之重器“天河二號”背后的故事。

    超算之巔的角逐

    四捧冠軍獎杯，對于中國超算團隊而言，無疑是一件令人歡欣鼓舞的大喜事，然而對其他老牌超算強國來說，他們的心里像打翻了調味瓶，五味雜陳。強手“叫板”也隨之而來，就在這次世界超級計算機500強榜單發(fā)布前夕，排位第二的美國公布了“珊瑚”計劃，表示將投資3.25億美元建造兩臺超級計算機，其運算速度有可能達到“天河二號”的3到5倍。

    “在超算領域，國際競爭由來已久，在‘天河一號’奪冠之前，美日之間的‘第一之爭’早已存在。”天河高性能計算機系統(tǒng)副總設計師朱小謙說。中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會秘書長張云泉告訴記者，“美日特別在意其超算是否世界第一，一旦失去‘第一’稱號，都會迫不及待地奪回來。”實際情況也的確如此，“天河一號”在2010年底首次奪冠后，遭遇福島核事故的日本仍然緊急撥款加快其超級計算機“京”的研制，用半年時間登上了冠軍寶座，隨后美國的“紅杉”和“泰坦”又先后搶得世界第一的位置。

    “你方唱罷，我登場”，冠軍的寶座常常不等捂熱，就被新的競爭對手奪去。人們不禁要問，如此激烈的競爭到底是為了什么？

    回答這個問題還得從超級計算機能做什么說起。記者日前來到國家超算天津中心采訪，這里運行著我國首臺千萬億次超級計算機——“天河一號”。投運近5年來，“天河一號”以其超強的計算能力、精準的計算結果贏得了眾多用戶的青睞。目前中心每天運營的計算任務超過1000個、提供計算服務機時140萬小時、服務用戶數(shù)已超過600家。“‘天河一號’的魅力，通俗講是能算天、算地、算人。”國家超算天津中心主任劉光明說。

    算天：“大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室”的研究員利用“天河一號”完成了跨越千年氣候變化模擬，并利用自主開發(fā)的氣候模式向聯(lián)合國氣候變化大會提交了IPCC報告。國家超算天津中心研究員孟祥飛說，“自從中國科學家用‘天河一號’建立了氣候變化模型，中國不僅拿出了自己的氣候影響依據(jù)，而且建立的模型還成為國際公認的模型標準，為中國在這一領域贏得了話語權。”

    算地：基于“天河一號”開展的高性能石油勘探數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)與應用，解決了我國石油勘探領域自主應用軟件的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力問題，使我國大連片、高密度石油勘探地震數(shù)據(jù)處理能力提升50倍以上，達到世界領先水平。

    算人：分析人類基因，解讀生命奧秘，如今都離不開大數(shù)據(jù)的計算和處理。中科院、軍事醫(yī)學科學院、北京生命科學研究所等單位利用“天河一號”開展了抗擊癲癇、艾滋病、癌癥等領域研究，取得了一批具有國際先進水平的成果。

    “‘天河一號’不僅為科學研究、科技創(chuàng)新提供了一個更高的支點，更是給產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一條更快更好的跑道。”劉光明說。正是有了“天河一號”的支撐，我國部分產(chǎn)業(yè)領域的核心競爭力正在構建。

    無論是模擬氣候變化，還是演示地震海嘯；無論是設計航空航天飛行器，還是研制國產(chǎn)新型發(fā)動機；或者是基因測序、高速列車設計制造，超級計算機都能夠完成分析、計算和處理。“超級計算機就像能夠預知未來的水晶球，一切都可以在計算機上進行模擬。”美國田納西大學計算機學教授杰克·唐加拉說，“超級計算機越快，計算結果越精確，意味著工程師能設計出更好的產(chǎn)品，大到飛機和輪船，小到藥品和服裝面料。”

    從“銀河”到“天河”

    “高性能計算機是名副其實的‘國之重器’，其研制與應用水平不僅代表國家的科技發(fā)展水平，更是國家在創(chuàng)新創(chuàng)造和經(jīng)濟建設中塑造核心競爭力的關鍵武器。”國家863計劃高性能計算機及其核心軟件重大專項總體組組長錢德沛如是評價。

    正因為如此，我國超級計算機的研發(fā)一開始就遭到了國外的嚴密封鎖。

    有兩件事雖然過去很多年，卻總是被“天河人”提起——

    改革開放前，我國由于沒有國際先進水平的高性能計算機，勘探的石油礦藏數(shù)據(jù)和資料不得不用飛機送到國外去處理，不僅費用昂貴，而且受制于人；國內一家單位想進口一臺運算速度每秒400萬次的計算機，外方居然提出：要為這臺機器建一個安全“玻璃房子”，中方人員上機操作，必須在外方監(jiān)控下進行，不得開展合同以外的研究。

    往事歷歷在目，始終激勵“天河人”奮勇拼搏，向世界超算的“珠穆朗瑪峰”攀登。

    “中國要搞四個現(xiàn)代化，不能沒有巨型計算機！”1978年，鄧小平同志高瞻遠矚，把研制巨型計算機的任務交給國防科技大學。國防科大的一大批科技人員，瞄準世界先進巨型機技術奮力攻關，僅用5年時間就研制出我國第一臺被譽為“爭氣機”的億次巨型計算機。1983年11月，“銀河”億次巨型計算機展現(xiàn)在世人面前，實現(xiàn)了我國巨型機零的突破。此后，他們又相繼研制出“銀河”系列巨型機，將我國超級計算技術一步步推向國際前沿。

    跨入新世紀，“天河人”吹響了攀登世界科技高峰的集結號——早日研制出我國的千萬億次超級計算機系統(tǒng)。“巨型計算機的發(fā)展規(guī)律是每10年性能提高1000倍。2000年的國際先進水平是1萬億次，到2010年肯定會達到千萬億次級。要占領制高點，必須盡快開始研制千萬億次計算機。”當時的“天河一號”總設計師、現(xiàn)任國防科大校長楊學軍說。

    這一步是不是跨得太大？不少人有疑問，但國家戰(zhàn)略不容等待。

    重擔又壓在“天河人”的肩上。血液里流淌著“銀河精神”的“天河人”再一次迎難而上?；貞浧甬敃r的情景，職業(yè)生涯與中國超級計算機發(fā)展史幾乎“同齡”，曾參與我國銀河—Ⅱ、銀河—Ⅲ研制的劉光明感慨地說，“確實非常不容易。”

    每一項技術的背后，都是超常的付出：僅僅為了將網(wǎng)絡互連軟件的性能參數(shù)調整到適應硬件的最佳狀態(tài)，在3個月里，“天河人”進行了上億次測試實驗。他們幾乎是每天工作十幾個小時，全年僅春節(jié)期間休息3天。而對這一切，作為“天河二號”主機系統(tǒng)主任設計師的蔣句平認為再平常不過。當記者請他講講過去攻堅克難的故事，蔣句平卻一時語塞，想不起來。“億萬星辰匯銀河，世人難知有幾多。神機妙算巧安排，笑向繁星任高歌。”也許只有凌晨三四點還依舊燈火通明的“天河樓”能告訴我們這一切。

    付出的汗水有了收獲。2010年11月，“天河一號”問鼎世界第一；兩年半后，2013年6月，“天河二號”摘取世界冠軍，峰值計算速度也從每秒4.7千萬億次躍升到每秒5.49億億次，實現(xiàn)由千萬億次級到億億次級的跨越。

    從“銀河”到“天河”，從“天河一號”到“天河二號”，“天河創(chuàng)新”團隊為了完成國家使命，以超前的眼光逐夢“超算”世界，交出了一份份精彩答卷。

    蔣句平告訴記者，目前“天河”團隊的平均年齡不到40歲。曾經(jīng)參與“天河一號”研制的年輕技術人員，如今已成長為“天河二號”研制的骨干力量，一代代“天河人”接力前行，成為支撐我國未來高性能計算的脊梁。

    獨辟蹊徑求突破

    中國超級計算機的發(fā)展無疑給世界帶來了無數(shù)驚嘆。

    3年多時間里，兩次研發(fā)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(shù)量，從零躍居世界第二；最近10年，中國超級計算機性能提升了5000倍，而同期美國超級計算機性能只提升了500倍……

    是什么造就了中國超級計算機的跨越式發(fā)展？錢德沛說，銀河、天河系列之所以取得如此驕人的業(yè)績，得益于一系列重大技術的自主創(chuàng)新，也清楚地表明了中國科技實力的巨大進步。

    超級計算機是集成數(shù)以萬計CPU的龐然大物。按傳統(tǒng)的方法，提高超級計算機的運算速度可以是增加處理器數(shù)量，也可以是增加CPU核數(shù)。蔣句平告訴記者，“傳統(tǒng)的方法難以為繼，增加CPU數(shù)主要受到功耗、占地面積、系統(tǒng)可靠性方面的限制。”據(jù)介紹，按傳統(tǒng)方法構建一臺每秒百億億次超級計算機，需要占地1.3萬平方米，將近兩個足球場那么大；需要用電320兆瓦，相當于一個大中型城市的用電量。

    很顯然，按照傳統(tǒng)方案根本行不通，首先必須解決機器規(guī)模增長帶來的一系列煩惱與挑戰(zhàn)：如何降低功耗，節(jié)省能源？怎么提高密度，節(jié)省機房空間？如何突破內存和網(wǎng)絡I/O的瓶頸，補足系統(tǒng)的短板？如何優(yōu)化并行軟件的開發(fā)，提高效率，保證數(shù)據(jù)一致性？

    再難也要上，時任“天河一號”總設計師楊學軍決定帶領他的團隊，在世界上率先采用CPU+GPU異構融合體系結構，利用GPU加速通用應用程序運行。幾年來，這種結構因其低能耗、低成本、高集成度等優(yōu)點，逐漸成了國際主流。

    在“天河”團隊的全體努力下，類似的自主創(chuàng)新成果一個接一個。如今，“天河二號”的多項自主關鍵技術令世界矚目：“新型異構多態(tài)體系結構”大幅度提高了系統(tǒng)的計算速度；高速互連系統(tǒng)性能是當前國際商用互連系統(tǒng)的兩倍，綜合化能耗控制機制實現(xiàn)了國際先進的能效比；自主研制出當前國內主頻最高的新一代高性能通用“飛騰—1500”CPU，有力支撐了高吞吐率和高安全的信息服務類應用；高密度、高精度組裝結構使得系統(tǒng)的占地面積與“天河一號”相當、性能卻提升了11.6倍……

    “可以說，如今中國超算系統(tǒng)的整體研制能力已處于國際前列，體系結構等部分技術已領先國際水平。”朱小謙說。從局部突破到綜合技術領先，從奮力追趕到逐步超越，世界超級計算機的發(fā)展史上已留下“中國創(chuàng)造”的深深印記。

    因為有了一系列自主創(chuàng)新成果，中國的超級計算機科研工作者在世界同行中贏得尊重。劉光明至今仍清楚地記得，過去要參觀國外超算公司、參加國外超算學術會議非常困難。即使有幸參加，中方人員的行程都會被跟蹤，看了什么，問了什么，都會被記錄上報。如今，主動邀請代替了百般拒絕，熱情相擁代替了冷淡對待。歐盟第七框架科研計劃與“天河一號”合作項目顧問、德國于利希超級計算中心教授BerndMohr表示，中國在超級計算機領域經(jīng)驗豐富，歐盟希望通過這一合作，對未來高性能計算發(fā)展規(guī)劃提供指導和參考。

    “當然，我國超算領域也有短板。”錢德沛告訴記者，最大短板在于應用，軟件方面與國際先進水平還有很大差距，希望國家把超級計算機作為關系國家長遠發(fā)展的重大基礎設施建設持續(xù)支持，讓超級計算機這一“國之重器”更好地發(fā)揮作用。