人類歷史上首次得見“黑洞”的真容？

2019年4月，一張類似燃燒中蜂窩煤的照片傳遍全世界——這是人類歷史上首次得見“黑洞”的真容。

實(shí)際上，關(guān)于黑洞的照片早在2017年4月歷經(jīng)十余天已拍攝完畢，此后，便是將來自全球8架射電望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行密集運(yùn)算，其容量達(dá)到每晚2PB(1PB=1000TB=1000000GB)

時針再往前，1997年和2016年發(fā)生過兩次為人印象深刻的“人機(jī)大戰(zhàn)”，由IBM開發(fā)的“深藍(lán)”和由Google開發(fā)的AlphGo最終分別戰(zhàn)勝人類大腦，獲得圍棋比賽的勝利。

執(zhí)行這些龐大計(jì)算的主角有同一個名字——超級計(jì)算機(jī)。

從最早計(jì)算容量僅以K為單位，用于科研和國防事業(yè)，到如今能夠“算天算地算人”，并在世界上排名領(lǐng)先，超算在中國剛好度過了40年。

最新發(fā)布的全球高性能計(jì)算機(jī)TOP500排行榜中，來自中國的“神威·太湖之光”和“天河二號”分列三、四位。關(guān)于下一代E級計(jì)算（1 EFlops，百億億次計(jì)算，每秒鐘 可執(zhí)行 1018 次雙精度浮點(diǎn)計(jì)算 ）的研發(fā)世界競賽早已開始。

這項(xiàng)被稱為“國之重器”的技術(shù)，在經(jīng)歷兩次國際上的“出口管制”前其實(shí)便已開啟國產(chǎn)替代步伐，如今，在新技術(shù)架構(gòu)的窗口期，更快構(gòu)建超算良性生態(tài)系統(tǒng)，尋找新一代計(jì)算平臺的落地方向，正成為重要課題。這對全世界高性能計(jì)算人都意味著新的機(jī)會和挑戰(zhàn)。

“中國超算可能是繼高鐵之后，另一個可以走向世界輸送服務(wù)的高新技術(shù)?！眹H超級計(jì)算濟(jì)南中心主任張?jiān)迫@樣向21Tech說道。

從無到有的超級計(jì)算

在人類文明還沒出現(xiàn)文字時，結(jié)繩記事作為早期的計(jì)數(shù)方式，存在過一個漫長的時期。足見計(jì)算的歷史發(fā)展之悠久。不過計(jì)算的高速發(fā)展，是從近半個世紀(jì)以來開始的。

超級計(jì)算早期，是以美國IBM公司為代表的時代。

上世紀(jì)60年代左右，美國出于國防安全需要開始推動高性能計(jì)算的發(fā)展，IBM 7030也是在那時候誕生。

在商用側(cè)，IBM介入的領(lǐng)域是人口統(tǒng)計(jì)，隨著行業(yè)技術(shù)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)需求的變化，而在此后相繼提出“電子商務(wù)”、“智慧星球”、“認(rèn)知商業(yè)”等一系列轉(zhuǎn)型概念。

“早期IBM做的計(jì)算機(jī)，基本就屬于超算。”國家超級計(jì)算深圳中心主任馮圣中介紹道，實(shí)際上超算可以理解為是今天計(jì)算機(jī)技術(shù)的源頭。在超算這類大型機(jī)應(yīng)用成功后，才逐步將相應(yīng)功能下移到PC、手機(jī)等更小型化的終端中。

作為第一代超算人，香港大學(xué)資訊科技服務(wù)助理總監(jiān)關(guān)永強(qiáng)讀大學(xué)的70年代，壓根還沒有計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)。若不是解決工程問題的科研需要，他不會跑到港大電腦中心做兼職。隨后的留院任教讓他見證了超算從學(xué)術(shù)界起步探索的階段。

這也是超算早期發(fā)展的兩大主要著力點(diǎn)：前沿科研和國防軍事?；诖?，也令超算中心的主要運(yùn)營模式為，政府資助支持、國防科研單位主導(dǎo)。

20世紀(jì)70年代則開啟了全球超算大規(guī)模發(fā)展的大時代。

早期處于技術(shù)領(lǐng)先的是美國公司ControlData和Cray Research，而日本自80年代開啟大規(guī)模政策補(bǔ)貼和產(chǎn)業(yè)支持，一度與美國不相上下。這導(dǎo)致2002-2004年間，日本超級計(jì)算機(jī)“地球模擬器”曾連續(xù)5次奪得全球超級計(jì)算機(jī)TOP500排行榜桂冠。

“地球模擬器”，圖源：中國天氣網(wǎng)

這期間，1978年中國啟動首臺巨型機(jī)“銀河-I”研制，并于80年代初正式誕生落地。隨著技術(shù)架構(gòu)走向并行計(jì)算模式，21世紀(jì)開始，全球超算格局開始有了變化。

2010年，由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的中國首臺千萬億次超級計(jì)算機(jī)“天河一號”首次拿下全球超級計(jì)算機(jī)TOP500第一名；2013-2017年間，中國相關(guān)機(jī)器持續(xù)盤桓在超算榜首位置。

“超算拿第一后，對整個世界的超算生態(tài)都會帶來影響。這意味著全球地位會提升、合作機(jī)會變多、自身水平也會提升。”張?jiān)迫?1Tech解釋道，比如會提前觀察到一些現(xiàn)象或困難，也會帶來一些新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，尤其在綜合國力和科學(xué)發(fā)現(xiàn)實(shí)力上，將起到支撐作用。

馮圣中則介紹，在新材料的研發(fā)上，超算就發(fā)揮著重要作用?！澳壳俺憧赡苡?0%的計(jì)算能力都在支持類似材料設(shè)計(jì)的工作?！彼M(jìn)一步表示，一些看起來“腦洞大開”的需求，比如是否存在支持熱縮冷漲的材料、石墨烯等材料的設(shè)計(jì)應(yīng)用等，都需要通過超算設(shè)備運(yùn)行發(fā)現(xiàn)。

或許也正因如此，在中國的超算發(fā)展之路上，曾經(jīng)歷過2次技術(shù)挑戰(zhàn)。

2015年2月，美國將國家超算長沙中心、國家超算廣州中心、國家超算天津中心、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)四家實(shí)體列入出口管制“實(shí)體清單”，禁止美國企業(yè)對其出口相關(guān)芯片等產(chǎn)品和技術(shù)；

2019年6月，美國商務(wù)部又將中科曙光、海光、江南計(jì)算技術(shù)研究所等五家實(shí)體列入出口管制“實(shí)體清單”。

目前，我國設(shè)立有6個國家級超算中心，主要包括神威、天河、曙光三大體系。2015年被針對的目標(biāo)正是天河系相關(guān)機(jī)構(gòu)。

不過近年來，中國超算系統(tǒng)在國產(chǎn)化替代方面都有不小的進(jìn)展。如神威系自主研發(fā)的申威芯片，天河系自主研發(fā)的飛騰系列芯片等，都已相繼落地超算設(shè)備中。據(jù)21Tech了解，其中神威體系的國產(chǎn)化獨(dú)立研發(fā)已歷時幾十年，業(yè)內(nèi)認(rèn)為其自主可控做得更為徹底。

如今，超算的應(yīng)用領(lǐng)域也早已不限于科研和國防，其“算天算地算人”說法的由來，也在于超算可以支持包括氣象觀測、石油勘探、電影渲染、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域。

應(yīng)該說，計(jì)算歷經(jīng)的百余年來發(fā)展，促成了今天我們得見這個龐大又繁復(fù)的世界。不止于此，借助如今的超級計(jì)算，我們還可以把觸角伸向更多想到卻碰不到、甚至反常識的領(lǐng)域。

生態(tài)構(gòu)建之路

來自外部環(huán)境的改變，無疑加速了中國超算自主化進(jìn)程以及自身生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建之路。

馮圣中就坦言，芯片成本與量產(chǎn)程度密切相關(guān)。比如即使國產(chǎn)芯片與英特爾所產(chǎn)技術(shù)水平完全一致，但后者產(chǎn)量大因此成本偏低，這是前者目前并不太具備優(yōu)勢的所在。

“生態(tài)是目前最大的短板，但也不是完全不可破。只是生態(tài)的完全建立不是一蹴而就，是有陣痛期的。”他如是說道。

更大的生態(tài)在于對產(chǎn)業(yè)面的拉動。張?jiān)迫嬖V21Tech，如何讓超算良性發(fā)展并產(chǎn)生投資回報，是一個新課題。過去作為戰(zhàn)略投資，國家對于超算并沒有要求短期內(nèi)產(chǎn)生巨大回報，“如何通過超算為中心，拉動產(chǎn)業(yè)鏈，讓生態(tài)系統(tǒng)良性建立起來。破解成功，超算就可以走上良性發(fā)展道路?！?/p>

以濟(jì)南中心而言，就從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了新規(guī)劃。張?jiān)迫?1Tech介紹，到2020年，山東將建成國家超算濟(jì)南中心和海洋國家實(shí)驗(yàn)室超算平臺兩大體系。其中后者建于青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室，主要針對高端科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，前者則主要面向商業(yè)計(jì)算。

張?jiān)迫m(xù)稱，濟(jì)南中心計(jì)劃建設(shè)超算科技園，愿景是打造算力工廠，希望未來計(jì)算能成為水電一樣的公共品，成為國家大科學(xué)裝置聚集的高地?！爸饕獮榱朔趸ㄐ乱淮?a target="_blank">信息技術(shù)為重點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)，包括AI、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。當(dāng)然也有待于人工智能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，能成功與各行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能+生態(tài)，這是我們的一個期待。”

更早建設(shè)的國家超算深圳中心則經(jīng)歷了產(chǎn)業(yè)落地過程，從預(yù)期，到匹配，再到進(jìn)一步升級的過程。

馮圣中介紹道，在2008年深圳中心部署初期，預(yù)想從四個層面梯級提供服務(wù)支持。其一是服務(wù)深圳市龍頭企業(yè)，包括中廣核、比亞迪、華為、中興等；其二是服務(wù)深圳市中小企業(yè)；三是服務(wù)深圳和華南的社會發(fā)展，如氣象、醫(yī)療、健康、環(huán)保等領(lǐng)域；四則是基礎(chǔ)科研。

但十年來的實(shí)踐證實(shí)，落地服務(wù)實(shí)際上出現(xiàn)了一些變化?！霸瓉碚J(rèn)為排在第三第四的需求，現(xiàn)在其實(shí)排在第一第二”，馮圣中表示，這十年來，深圳市的基礎(chǔ)科研機(jī)構(gòu)越來越多，社會發(fā)展領(lǐng)域的需求非常旺盛，這是此前沒有想到的。

相反，大企業(yè)確實(shí)有高性能計(jì)算需求，但如華為等企業(yè)，實(shí)際上會自主搭建相關(guān)服務(wù)器和平臺，并自主研發(fā)軟件，自主消化了大部分需求。

而中小企業(yè)部分，目前需求仍舊不甚旺盛。原因在于這類企業(yè)會考慮到降低市場風(fēng)險，因此對新技術(shù)的使用會以“跟隨”心態(tài)為主，同時小企業(yè)的技術(shù)突破相對大企業(yè)較為單一，因此需求實(shí)際上并不大。

只是最近一年來，一些看起來規(guī)模不算大的企業(yè)與國家超算深圳中心開始了愈發(fā)密集的合作，主要為人工智能類企業(yè)。

“這也是相互需要。中心這邊有想法，需要新的方向快速發(fā)展起來；AI公司也有發(fā)展需求?！瘪T圣中向21Tech笑稱，他本人與諸多合作的AI企業(yè)創(chuàng)始人還有校友的“親密”關(guān)系。

近期一則合作案例是，國家超算深圳中心與云天勵飛聯(lián)合發(fā)布AIOS操作系統(tǒng)。據(jù)介紹，該平臺發(fā)布的初衷是，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)標(biāo)注、算法訓(xùn)練以及算法應(yīng)用進(jìn)行全流程管理，并將此系統(tǒng)提供給各產(chǎn)業(yè)使用。

不過，已經(jīng)成立十年的深圳中心，面對龐大的產(chǎn)業(yè)服務(wù)訴求，已經(jīng)出現(xiàn)超期服役現(xiàn)象。馮圣中表示，超級計(jì)算機(jī)終究屬于電子產(chǎn)品，有一定生命周期。深圳中心目前面臨著爆滿并排隊(duì)的現(xiàn)象。

因此第二期計(jì)劃也就箭在弦上。他告訴21Tech，相比目前，第二期規(guī)模將提升1000倍，性能提升1000倍，但體積僅增加幾倍，能耗增加10倍。

“這意味著效能提高了100倍。二期現(xiàn)在緊鑼密鼓推進(jìn)，除了機(jī)器研制，還有新機(jī)房建設(shè)都在快速推進(jìn)；應(yīng)用研發(fā)也不能落后，不能等機(jī)器來了再做匹配，要同步進(jìn)行?！彼榻B道。

不過馮圣中還提到一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)?！皩A(chǔ)科研越重視，對超算的需求就會越大。據(jù)我了解，美國一般高?？蒲性核蟾?0%的工作是與超算相關(guān)；但國內(nèi)高校的平均水平不到10%，當(dāng)然拔尖的如中國科大、清華、北大等比例會超過30%。所以從國家發(fā)展角度來說，超算應(yīng)用還有大量工作要做?！?/p>

新計(jì)算世代

從底層基礎(chǔ)技術(shù)來看，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)普遍面臨一個新的挑戰(zhàn)——摩爾定律接近失效。由此帶來的，是高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展速度將不復(fù)從前。

摩爾定律

與此同時，正在到來的5G時代，意味著更龐大的數(shù)據(jù)生產(chǎn)量和處理量，尋找破局之法是產(chǎn)業(yè)界在謀求的新課題。

張?jiān)迫拖?1Tech坦言，最新TOP500榜單也透露出，浮點(diǎn)運(yùn)算的增長速度和更新速度都在放慢，這意味著產(chǎn)業(yè)界對處理器的更新熱情不再高漲。因?yàn)檫@不僅意味著，即使更換服務(wù)器，也未必能達(dá)到與以前類似的效果，而并行度更大以后，程序編寫難度將更大，可靠性也成為難題。

“我們面臨下一個計(jì)算平臺是什么的問題，到底哪個技術(shù)能提高目前的半導(dǎo)體技術(shù)，是量子計(jì)算、還是生物計(jì)算、光計(jì)算等。革命性的變化在哪里，如何繼續(xù)讓計(jì)算速度能夠按照摩爾定律發(fā)展？”他說。

學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界都在尋找新的突破口。中國工程院院士李國杰就指出，未來十年是體系結(jié)構(gòu)的黃金時期，下一個十年將出現(xiàn)全新計(jì)算機(jī)架構(gòu)的“寒武紀(jì)”大爆發(fā)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界計(jì)算機(jī)架構(gòu)師將迎來一個激動人心的時代。

“傳統(tǒng)的發(fā)展都是圍繞摩爾定律研發(fā)，但是沒有人關(guān)注性能結(jié)構(gòu)，以后的改進(jìn)則要依靠結(jié)構(gòu)改進(jìn)。最近這幾年來看，盡管有很多提法，但目前還沒有看到新的革命性成果?！彼绱吮硎?。

新計(jì)算世代的車輪滾滾向前，將由誰接著扛起大旗，有待產(chǎn)業(yè)界共同謀求突破。