超級(jí)計(jì)算機(jī)全部核心部件國產(chǎn)化如何用好“中國芯”

　　6月20日，在德國法蘭克福舉行的國際超算大會(huì)上，發(fā)布了超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單，“神威·太湖之光”以近3倍于第二名的運(yùn)算速度摘得桂冠。

　　速度到底有多快?如果把200多萬臺(tái)最新款的普通電腦加起來，計(jì)算能力只能跟它打個(gè)平手;其1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球70多億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。

　　值得關(guān)注的是，這臺(tái)來自江蘇無錫濱湖區(qū)國家超級(jí)計(jì)算無錫中心的“神威·太湖之光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了包括處理器在內(nèi)的全部核心部件的國產(chǎn)化。

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)不僅要跑得出速度，還要“用得起來”。設(shè)立于1987年的戈登貝爾獎(jiǎng)，被喻為計(jì)算機(jī)高性能應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)，設(shè)立近30年以來，中國團(tuán)隊(duì)從未入圍。然而此次，基于“神威·太湖之光”的3個(gè)科研項(xiàng)目全部入圍該獎(jiǎng)項(xiàng)。

　　突破封鎖的“中國芯”

　　“以后再也不用擔(dān)心被封鎖了?！眹页?jí)計(jì)算無錫中心副主任黃建國說，“從個(gè)人電腦到超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)國內(nèi)的科學(xué)家來說，最大的痛點(diǎn)是電腦芯片基本依賴出口，我們一直不掌握主動(dòng)權(quán)?！?015年4月，美國政府宣布把與超級(jí)計(jì)算機(jī)相關(guān)的4家中國機(jī)構(gòu)，列入限制出口名單，目的是要限制中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

　　黃建國說，國內(nèi)的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，連續(xù)3年世界第一，但去年準(zhǔn)備采購新一代處理器時(shí)就卡住了，最后導(dǎo)致未如期完成攻關(guān)目標(biāo)。

　　早在2011年，國內(nèi)就有采用國產(chǎn)處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)，只是那時(shí)候的速度只能達(dá)到千萬億次，全球排名第14位。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)更多關(guān)注的是速度全球第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這個(gè)國產(chǎn)處理器鮮有國人知曉，反而在國外備受關(guān)注，自主處理器、高密度組裝技術(shù)、水冷系統(tǒng)等成為關(guān)注焦點(diǎn)。

　　目前，“申威26010芯片”已經(jīng)是第三代國產(chǎn)處理器，該處理器由國家工信部核高基計(jì)劃支持，國家高性能集成電路設(shè)計(jì)中心研制?！拔覀兤綍r(shí)使用的普通電腦芯片是‘多核’，這個(gè)芯片采用‘眾核體系結(jié)構(gòu)’。這個(gè)銀白色的芯片，里面集成了260個(gè)運(yùn)算核心，數(shù)十億晶體管，達(dá)到了每秒3萬多億次的計(jì)算能力?！秉S建國說。

　　關(guān)鍵指標(biāo)均居世界第一

　　2015年12月，在國家“863計(jì)劃”支持下，科技部、江蘇省和無錫市共同出資17.95億元，國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制成功“神威·太湖之光”，它使用了40960個(gè)芯片。

　　“太湖之光”所在的機(jī)房，除了空調(diào)聲，沒有其他任何噪音，這是全球首臺(tái)運(yùn)行速度超過10億億次/秒的超級(jí)計(jì)算機(jī)，峰值性能高達(dá)12.5億億次/秒，持續(xù)性能達(dá)到9.3億億次/秒，接近“天河二號(hào)”的3倍，關(guān)鍵指標(biāo)均居世界第一。

　　“每個(gè)‘核’都是計(jì)算單元，它們是團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)，不再是單兵作戰(zhàn)?！秉S建國解釋，讓千萬個(gè)“核”協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮效果，這是這個(gè)計(jì)算機(jī)的最大特點(diǎn)。

　　一名參與研制的專家介紹，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能耗幾乎可以與一個(gè)小型城鎮(zhèn)相當(dāng)，功耗是計(jì)算機(jī)提高速度的瓶頸。這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)能效比高達(dá)每瓦特60.5億次，比“天河二號(hào)”節(jié)能60%以上。

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還采用了高效水冷技術(shù)、高密度的組裝工藝等，芯片內(nèi)部的低功耗設(shè)計(jì)和機(jī)箱內(nèi)電線的長度都是為了減少耗能。

　　“最大的短板是應(yīng)用”

　　“有了這套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，我們可以在30天內(nèi)完成未來100年的地球氣候模擬，這在之前是無法想象的?！鼻迦A大學(xué)副教授薛巍說。

　　目前，國家超級(jí)計(jì)算無錫中心與北京大學(xué)、中科院軟件所、中船重工702所、遠(yuǎn)景能源、清華大學(xué)、國家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室等國內(nèi)30多家用戶單位建立應(yīng)用合作關(guān)系，領(lǐng)域集中在航空航天、石油勘探、車船設(shè)計(jì)、動(dòng)漫制作、新藥研發(fā)、生物信息、氣候模擬等方面。

　　黃建國介紹，國內(nèi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)3年成為世界最快計(jì)算機(jī)，但在應(yīng)用上做得不夠。“計(jì)算機(jī)硬件上沒問題，最大的短板是應(yīng)用”。

　　國家超級(jí)計(jì)算無錫中心應(yīng)用支持工程師劉釗說，超級(jí)計(jì)算機(jī)的配套應(yīng)用早在1年前就已開始。

　　氣象預(yù)報(bào)是超級(jí)計(jì)算機(jī)最主要的用途之一。北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院教授王蘭寧說：“下不下雨關(guān)鍵看云層運(yùn)動(dòng)，有了超級(jí)計(jì)算機(jī)后，就可對(duì)云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬與觀測(cè)了?！?/p>

　　多年來，天氣預(yù)報(bào)的觀測(cè)精度也跟隨超級(jí)計(jì)算機(jī)改變。2011年，天津“天河一號(hào)”觀測(cè)精度為10萬公里，“神威藍(lán)光”實(shí)現(xiàn)1萬公里精度，而“神威·太湖之光”把精度縮到9公里，如今正向著3公里精度邁進(jìn)。王蘭寧說，未來有了更快的超算能力支撐，天氣預(yù)報(bào)就可以萬無一失了。

　　作為“全球大氣非靜力云分辨模擬”團(tuán)隊(duì)成員之一，王蘭寧參與的項(xiàng)目入圍了戈登貝爾獎(jiǎng)。國內(nèi)一名長期關(guān)注超級(jí)計(jì)算機(jī)的專家介紹，通過近10年努力，我國軟件應(yīng)用領(lǐng)域已從少數(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域拓展到各行各業(yè)，但是領(lǐng)域軟件規(guī)模龐大、開發(fā)周期長、成本高、難度大。發(fā)展高效成熟的國產(chǎn)并行應(yīng)用軟件，需要相關(guān)專家、超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)制造方和軟件人員的共同努力，才能研制好用、實(shí)用、管用的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，全力配合用戶開發(fā)高效能應(yīng)用軟件。

　　在今年的戈登貝爾獎(jiǎng)6個(gè)提名中，基于“神威·太湖之光”的應(yīng)用就占了3個(gè)，分別涉及大氣、海洋、材料3個(gè)領(lǐng)域，這是我國首次在此獎(jiǎng)項(xiàng)中獲得提名。