神威太湖之光獲戈登貝爾獎 打破歐美壟斷應(yīng)用意義幾何？

　　11月14日，新一期全球超級計算機(jī)500強(qiáng)（TOP500）榜單在美國鹽湖城公布，中國神威太湖之光蟬聯(lián)冠軍，由國防科大研制的“天河2號”屈居亞軍。

　　11月17日，在美國鹽湖城召開的全球超級計算大會（SC2016）上，由中科院軟件所楊超和清華大學(xué)計算機(jī)系薛巍、地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心付昊桓等共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊所完成，運(yùn)行于神威太湖之光的應(yīng)用 “千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”獲得戈登貝爾獎，實(shí)現(xiàn)了該獎創(chuàng)辦30年來我國在此大獎上零的突破，打破了西方國家對該獎項的壟斷。

　?。ǐ@戈登貝爾獎）

　　為何說神威太湖之光是世界第一？

　　神威太湖之光之所以榮獲TOP500排行榜冠軍，原因在于其Linpack成績無與倫比。

　　Linpack指的是矩陣求解，在科學(xué)計算中把實(shí)際問題抽象成方程組，然后離散成矩陣計算矩陣倍，代表的是傳統(tǒng)的以矩陣為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法，常用于理科和工科的數(shù)值求解和數(shù)值模擬。那么為何超算大多以Linpack測試成績論高低呢？

　　原因就在于很多科學(xué)計算模型都包含了矩陣求解，比如解微分方程，因此在超算任務(wù)中具有不可取代性——像輻射流體力學(xué)就是求解微分方程，而核爆炸模擬其實(shí)就是輻射流體力學(xué)+蒙特卡洛預(yù)測，雷達(dá)截面的矩量法計算也有賴于解微分方程，業(yè)內(nèi)專家還告訴筆者“現(xiàn)在的深度學(xué)習(xí)算法的核心算法與Linpack的是一個”。..。..。

　　因此，Linpack測試并非是一些跑分軟件那樣：不服跑個分，而是真正具有實(shí)戰(zhàn)價值的測試。

　　Linpack效率指的是實(shí)際計算時的次數(shù)除以理論計算，舉例來說，神威太湖之光的理論性能為125.4 PFlops，Linpack浮點(diǎn)性能93PFlops，Linpack效率為74.16%。那么，神威太湖之光Linpack測試成績到底如何呢？我們做一個對比：

　　TOP500排行第一，中國，神威太湖之光，理論性能125.4PFlops，Linpack雙精浮點(diǎn)性能為93PFlops，Linpack效率74.16%；

　　TOP500排行第二，中國，天河2號，理論性能54.9Pflops，Linpack雙精浮點(diǎn)性能33.8PFlops， Linpack效率61.5%；

　　TOP500排行第三，美國，泰坦，理論性能27 Pflops，Linpack雙精浮點(diǎn)性能17.6 PFlops，Linpack效率為65.19%。

　　這里要說明一點(diǎn)，就是超算的規(guī)模越大，Linpack測試效率的提高就越難——規(guī)模大到如一定程度，維持一段時間的穩(wěn)定運(yùn)行是非常難的，何況是太湖神威之光93PFlops的高性能。而神威太湖之光在Linpack測試性能是美國超算泰坦5倍以上的情況下，Linpack測試效率大幅領(lǐng)先于泰坦，這就非?？少F了！

　　神威太湖之光用不起來？

　　由于采用異構(gòu)計算的原因，會導(dǎo)致在編程上比較麻煩，不像日本京那樣的同構(gòu)超算在編程上方便——由于異構(gòu)編程需要提前預(yù)知模型并做特殊優(yōu)化，而且很多應(yīng)用未必適合異構(gòu)模型，使得采用異構(gòu)計算的超算對于編程和優(yōu)化的要求更高，進(jìn)而使一些媒體認(rèn)為神威太湖之光只能用來跑分刷TOP500排行榜，是用來做政績工程的大花瓶。但實(shí)際情況恐怕并非如此。關(guān)于這一點(diǎn)，3個應(yīng)用入圍戈登貝爾獎，一個應(yīng)用榮獲戈登貝爾獎就是最好的回?fù)簟?/p>

　　戈登貝爾獎是由美國計算機(jī)協(xié)會頒發(fā)的獎項，獎金1萬美元，由高性能計算的先驅(qū)GordonBell提供，旨在獎勵在高性能計算應(yīng)用方面取得杰出成就。與TOP 500、TOP100著眼于超算Linpack成績不同，戈登貝爾獎更著重于高性能計算的計算應(yīng)用。

　　在天河2號和神威太湖之光連續(xù)多年霸占TOP500榜首的情況下，在性能上冠絕全球已經(jīng)不再是中國工程師們瞄準(zhǔn)的第一目標(biāo)，有了高性能的超算如何將超算充分用起來才是迫切要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而且在超算應(yīng)用領(lǐng)域，中國和西方還是有一定差距的——工程仿真領(lǐng)域以商業(yè)軟件多，而且這當(dāng)中大多是國外軟件，這些國外軟件不僅價格特別昂貴，而且并行規(guī)模受限，有些模塊國外是禁運(yùn)的，有些可以用于軍工的軟件也嚴(yán)禁出售給中國。也正是在應(yīng)用上存在一定差距，在過去幾十年里，戈登貝爾獎一直被西方國家壟斷。而本次榮獲戈登貝爾獎，對中國高性能計算而言則是里程碑性的成績。

　　獲獎應(yīng)用意義幾何？

　　“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”是一種新的用于大氣動力模擬的高可擴(kuò)展全隱式求解算法和軟件，第一次在有效時間尺度完成了網(wǎng)格分辨率小于500米的大氣模擬。網(wǎng)格分辨率小于500米是什么水平呢？日本的天氣預(yù)報、災(zāi)害預(yù)報很準(zhǔn)，原因就在于日本的模式水平分辨率最高已經(jīng)達(dá)到了870米，在“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”問世前，這是非常高的水平。而國內(nèi)科研團(tuán)隊在使用神威太湖之光后，可以將網(wǎng)格分辨率做到比日本最高水平還要精確僅一半。

　　在技術(shù)上，“千萬核可擴(kuò)展大氣動力學(xué)全隱式模擬”也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與算法兩個層面實(shí)現(xiàn)了重大突破：

　　在應(yīng)用層面，第一次證明了全隱式求解方法是構(gòu)建未來超高分辨率大氣模式一種有競爭力的選擇，該大氣動力過程的模擬速度較美國下一代大氣模擬系統(tǒng)（GFDL開發(fā)的AM3非靜力大氣模式）的計算效率提升近1個數(shù)量級，未來可應(yīng)用于高分辨率氣候模擬和高精細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報，提升預(yù)估、預(yù)報精度。

　　在算法層面，實(shí)現(xiàn)了目前世界上第一個可擴(kuò)展到千萬核、峰值效率超過6%的隱式求解器，較2015年戈登貝爾獎獲獎工作在并行度和峰值效率均提升一個數(shù)量級，未來在航空、地學(xué)、能源等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性計算問題中有著廣闊的應(yīng)用前景。

　?。ā扒f核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”核心算法）

　　此外，“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”能應(yīng)對可能性低但破壞性大的極端天氣，全面提高我國應(yīng)對極端氣象事件和自然災(zāi)害的減災(zāi)防災(zāi)能力，盡可能保護(hù)人民財產(chǎn)安全免受突發(fā)性極端惡劣天氣的損害。