神威太湖之光獨攬三項第一 超算系統(tǒng)應(yīng)用比計算機本身更重要 - 全文

　　●從建設(shè)超級計算機的角度來講，中國和日本、美國以及歐洲的水平其實不相上下，但在建設(shè)思路上，中國卻與其他國家截然不同。歐美國家一般是先考察超級計算機在各領(lǐng)域的需求，根據(jù)實際應(yīng)用開始有針對性的研發(fā)和制造；而我國則將重點放在提升超級計算機的各項計算能力上，然后再考慮實際應(yīng)用。

　　●資源不足和資源利用不充分的現(xiàn)象同時存在，資源的單位擁有和資源的共享使用之間矛盾突出，嚴(yán)重制約了中國國家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

　　●我國超級計算機使用的領(lǐng)域還比較窄，許多領(lǐng)域的應(yīng)用軟件是從美國購買的，這大大限制了我國超級計算機的發(fā)展。

　　一年一度的國際高性能計算大會日前在德國法蘭克福再度拉開帷幕。大會第一天公布的全球超級計算機500強榜單，來自中國無錫超算中心的神威太湖之光超級計算機力壓群雄，獲得了冠軍。這引起了社會的廣泛關(guān)注。對此，多位專家建議，應(yīng)以此為契機，建立健全超算研發(fā)機制，扭轉(zhuǎn)我國超算產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不夠的局面，將“制好”優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“用好”優(yōu)勢，在解決國防與科學(xué)重大需求的同時，帶動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與開放。

　　太湖之光實現(xiàn)國產(chǎn)

　　獨攬三項第一

　　據(jù)悉，“神威·太湖之光”是全球第一臺運行速度超過10億億次/秒的超級計算機，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”的3倍。打個比方說，“神威·太湖之光”一分鐘的計算能力，相當(dāng)于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。

　　神威太湖之光有40個運算機柜和8個網(wǎng)絡(luò)機柜組成。每個運算機柜比家用的雙門冰箱略大，打開柜門，4個由32塊運算插件組成的超節(jié)點分布其中。每個插件由4個運算節(jié)點板組成，一個運算節(jié)點板又含2塊“申威26010”高性能處理器，整臺“神威·太湖之光”共有40960塊處理器。

　　在本次榜單中，記者注意到中國軍團的崛起。從各國系統(tǒng)上榜的數(shù)量來看，中國系統(tǒng)數(shù)量首次超過美國，達(dá)到了167臺。而在上榜超算品牌方面，惠普以127臺超算高居榜首，緊隨其后的聯(lián)想為84臺，接下來是Cray的67臺和中科曙光的51臺，IBM以38臺設(shè)備排名第五。

　　需要指出的是，“神威·太湖之光”是首次完全用“中國芯”制造的中國最強大的超級計算機，此前“天河二號”使用的是英特爾至強處理器和Xeon Phi協(xié)處理器。2015年12月，“神威·太湖之光”在國家“863計劃”支持下，科技部、江蘇省、無錫市共同出資17.95億。如今，只有5厘米見方的薄塊“申威26010”，成了“神威·太湖之光”的心臟。

　　“長期受制于人的被動與屈辱，使我國下決心研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的‘神威’系列超級計算機?！庇袠I(yè)內(nèi)人士表示，他透露，2015年4月，美國政府宣布，把與超級計算機相關(guān)的4家中國機構(gòu)列入限制出口名單，其目的是想限制中國超級計算機的發(fā)展。這直接導(dǎo)致采購英特爾處理器的“天河二號”未能如期完成攻關(guān)目標(biāo)?！叭缃?，‘中國芯’‘申威26010’成了我國自主研發(fā)打破30年技術(shù)封鎖的一柄利器?！痹摌I(yè)內(nèi)人士感慨。

　　毫無疑問，在運算速度上，神威太湖之光讓天河二號也“屈居”第二；在性能和能耗的比值上，太湖之光也能在Green500的榜單上名列前茅。更讓世人眼前一亮的是，被稱作超算應(yīng)用領(lǐng)域諾貝爾獎的“戈登貝爾”獎，從1987年建立以來，中國團隊從未入圍。今年，基于“神威·太湖之光”系統(tǒng)的三項全機應(yīng)用已經(jīng)入圍，占全部入圍數(shù)量一半。三項應(yīng)用分別為中科院軟件所與清華大學(xué)、北師大合作的“全球大氣非靜力云分辨模擬”；國家海洋局海洋一所與清華大學(xué)合作的“高分辨率海浪數(shù)值模擬”；中科院網(wǎng)絡(luò)中心的“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場模擬”。

　　對此，賽迪智庫電子信息產(chǎn)業(yè)研究所副所長溫曉君博士在接受《經(jīng)濟參考報》記者專訪時表示，我國高效能計算機系統(tǒng)在運算速度指標(biāo)能力上全球領(lǐng)先，但在負(fù)載均衡、功耗優(yōu)化等方面還存在明顯的技術(shù)短板。例如，功耗是國際公認(rèn)的實現(xiàn)E級超級計算機的主要技術(shù)障礙，亟須在新型體系結(jié)構(gòu)、新的電路實現(xiàn)、高能效處理器與加速器、光子通信與高能效互連、新型低功耗存儲器件、3D芯片等核心技術(shù)方面取得突破。美、日均正在全力展開研究，尋求克服這一障礙的技術(shù)手段，而我國在這方面的研究和技術(shù)積累不足。

　　算天算地算人

　　超算產(chǎn)業(yè)大有可為

　　如此“高大上”超級計算機，離普通人的生活有多遠(yuǎn)？是不是永遠(yuǎn)都是科研人員的專用“工具”？中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳榮亮在接受《經(jīng)濟參考報》記者采訪時表示，超級計算機與百姓生活密切相關(guān)，其應(yīng)用可以簡單通俗地概括為：算天、算地、算人。

　　其實，氣象數(shù)值預(yù)報一直是高性能計算機的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，無論是短期天氣預(yù)報還是長期氣候預(yù)測，都離不開強大的超級計算機的支持。借助超級計算機預(yù)測氣候變化，可以減輕極端天氣給人類帶來的傷害。當(dāng)前世界，極端氣象事件的影響日趨嚴(yán)重，超級計算機將提供有關(guān)發(fā)生可能性低、但破壞性大的氣象事件的預(yù)警，對氣候變化做出重要研究。同樣，對天氣情況的準(zhǔn)確預(yù)報也需要具備迅速完成大量運算的能力。我國自行設(shè)計生產(chǎn)的銀河Ⅱ型大型機就曾經(jīng)被使用于天氣預(yù)報領(lǐng)域。在2008年北京奧運會中，北京氣象局也采用了超級計算機來為北京及周邊地區(qū)提供精確到小時的天氣預(yù)報。

　　為便于污染物擴散，運用超級計算機測算建筑風(fēng)道選址，更是讓空氣污染預(yù)報精確到每個小區(qū)。中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國家超算無錫中心進(jìn)行的一項課題，就是深圳市污染物擴散的模擬?！艾F(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)倒推排查，究竟是哪個排放點導(dǎo)致了某次大氣污染，未來將能夠?qū)崿F(xiàn)每個小區(qū)、每個居民點空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)報?！标悩s亮說。

　　而在身體器官檢測等方面，未來要不要做手術(shù)也是電腦說了算。據(jù)悉，歐洲和日本等國的科研人員還開始將超級計算機應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，通過超級計算機來模擬血流、心臟，甚至任何人體器官的工作。英國醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》認(rèn)為，目前醫(yī)療研究已經(jīng)進(jìn)入分子層面，通過超級計算機的大量運算，可以有效地模擬人體器官對各類藥物的反應(yīng)，這樣做能夠大大縮短新藥物的研發(fā)時間，讓各類新藥物盡快為患者服務(wù)；更為重要的是，這樣大大節(jié)省了新藥物的前期研發(fā)成本，可以使制藥公司以較為低廉的價格為患者提供更有效的藥物。

　　事實上， 超算技術(shù)早已融入人類生活的方方面面。以美國為例，高性能計算應(yīng)用大致可分為幾類：一類是與國家安全密切相關(guān)的使命性應(yīng)用，如美國能源部各國家實驗室所從事的核武器設(shè)計、試驗、改進(jìn)和安全儲存的研究，需要超級計算機進(jìn)行全物理、全系統(tǒng)、真三維的數(shù)值模擬；一類是解決能源、環(huán)境、健康等方面重大挑戰(zhàn)性問題的應(yīng)用，例如聚變能源、全球氣候變化、新材料設(shè)計、新藥創(chuàng)制等；還有一類是以計算促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)研究和重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，例如在宇宙起源、腦功能、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)、計算物理、計算化學(xué)、計算材料等方面的應(yīng)用。

　　近年來，基于人工智能的高性能計算應(yīng)用呈拓展趨勢，大數(shù)據(jù)、金融計算、社會計算等都成為高性能計劃的新領(lǐng)域。IBM以沃森為核心提出了“認(rèn)知計算”的概念，即由計算機模仿人腦的工作機制，對信息進(jìn)行感知和分析處理的一種計算技術(shù)。未來，隨著開放生態(tài)體系的建立，認(rèn)知計算將有望成為繼電子商務(wù)、智慧地球之后，被全球所接納和推進(jìn)的又一概念和方向，并引發(fā)各大企業(yè)和各國家、地區(qū)的跟隨。

　　其實，超級計算機并非永遠(yuǎn)都是科研人員的專用“工具”。隨著科技的日益進(jìn)步，超級計算機的小型化已成可能。早在2012年，谷歌就在其舉辦的“內(nèi)部搜索”發(fā)布會上公開表示，“響應(yīng)一個谷歌搜索請求所需的運算量與整個‘阿波羅84計劃’的運算量（包括地面和空中）幾乎一樣多”。更重要的是，現(xiàn)代智能手機和平板電腦所具備的運算能力比以前要占據(jù)一整個房間的許多“巨型電腦”還要強大。預(yù)計到2019年，全球智能手機用戶數(shù)量將達(dá)到35億，這相當(dāng)于智能手機的普及率將達(dá)到59%，超過2017年的50% ，相比于2013年的28%有了大幅增長。逐漸采用那些能讓人們處理復(fù)雜任務(wù)的高速運算設(shè)備是大勢所趨。最有可能出現(xiàn)的情況是，每個人使用的設(shè)備數(shù)量會大幅增加，這些設(shè)備不僅具有新功能，還能處理特殊任務(wù)。


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　　對此，溫曉君建議，發(fā)展便攜式超算，或“智能終端”，推進(jìn)人工智能等新型計算技術(shù)正加速向移動終端產(chǎn)品普及遷移。一是推動以新型人機交互、智能情景感知與交互、大規(guī)模深度機器學(xué)習(xí)、增強現(xiàn)實等為代表的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、認(rèn)知計算系統(tǒng)、虛擬智能助理、生物芯片等關(guān)鍵軟硬件產(chǎn)品的開發(fā)。二是建設(shè)支撐超大規(guī)模深度學(xué)習(xí)的新型計算集群，推進(jìn)人工智能與大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，打造開放的計算資源平臺。三是構(gòu)建科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系，制定智能終端技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，建立并完善人工智能相關(guān)規(guī)范。

　　國內(nèi)制造優(yōu)勢

　　與應(yīng)用優(yōu)勢不匹配

　　盡管我國的超級計算機在500強的榜單中獲得了斐然的成績，但這并不能代表我國超級計算機的應(yīng)用水平。目前，國外建造的超級計算機多數(shù)都被直接用于實際中，而我國的超級計算機應(yīng)用和國外相比仍有不小的差距。

　　目前，超級計算機在國外有著廣泛的應(yīng)用，歐美日等國家在天氣預(yù)報、飛機設(shè)計、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域已大量使用超級計算機，而隨著近年來超級計算機應(yīng)用軟件的發(fā)展，國外在環(huán)保監(jiān)測、地質(zhì)勘探、電影特效制作等領(lǐng)域，也開始大規(guī)模應(yīng)用超級計算機。

　　例如，法國石油巨頭道達(dá)爾從2013年開始就啟用超級計算機Pangea進(jìn)行石油資源勘探。借助Pangea強大的運算能力，道達(dá)爾可以更加精確地判斷石油蘊藏的規(guī)模及開采幾率；美國的波音、洛克希德-馬丁等航空制造企業(yè)，近年來也開始大量使用超級計算機進(jìn)行包括發(fā)動機、飛機等的輔助設(shè)計。與此同時，美國好萊塢眾多電影制作公司也開始嘗試使用超級計算機進(jìn)行電影的后期特效處理，《阿凡達(dá)》、《機械公敵》、《2012》等影片的強大特效就利用到了各種類型的超級計算機。

　　“從建設(shè)超級計算機的角度來講，中國和日本、美國以及歐洲的水平其實不相上下，但在建設(shè)思路上，中國卻與其他國家截然不同。歐美國家一般是先考察超級計算機在各領(lǐng)域的需求，根據(jù)實際應(yīng)用開始有針對性的研發(fā)和制造；而我國則將重點放在提升超級計算機的各項計算能力上，然后再考慮實際應(yīng)用。”業(yè)內(nèi)人士直言。

　　例如，2010年，“天河一號”國家超級計算中心落戶長沙，成為繼天津和深圳之后，國家科技部正式批準(zhǔn)建立的第三家國家超級計算中心。但是，長沙超算“起了個大早，卻趕了個晚集”，長時間都沒有投入運營。

　　據(jù)介紹，長沙超算自2010年11月開始籌建，2013年7月主體工程竣工，同年9月，“天河一號”主機設(shè)備安裝到位。然而，遷至新址后，設(shè)備一直封存，并沒有正式運營。直到2014年6月才進(jìn)行加電測試，啟動試車。“有外省同行談笑，說湖南的超算建設(shè)是中國超算建設(shè)的‘爛尾工程’?！焙鲜≌f(xié)常委、湖南大學(xué)國家超算長沙中心教授白樹仁談到長沙超算項目這樣說。

　　對此，溫曉君認(rèn)為，我國高性能計算資源部署可持續(xù)發(fā)展有待進(jìn)一步完善。高性能計算資源建設(shè)缺乏規(guī)劃，或與國家科研計劃綁定，或完全依賴于所在單位。資源不足和資源利用不充分的現(xiàn)象同時存在，資源的單位擁有和資源的共享使用之間矛盾突出，嚴(yán)重制約了中國國家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展?！叭狈Ψ€(wěn)定的運行經(jīng)費，這是困擾我國高性能計算中心的普遍問題。各個計算中心需要多渠道籌措運行經(jīng)費，這些亟須建立可持續(xù)發(fā)展的運行機制?！睖貢跃f。

　　建立健全機制

　　消除超算應(yīng)用瓶頸

　　近些年來應(yīng)用已經(jīng)開始被業(yè)界所重視，要想實現(xiàn)更多的提升、真正從“超算大國”發(fā)展為“超算強國”，解決“重技術(shù)、輕應(yīng)用，重硬件、輕軟件”的問題，還需要科研機構(gòu)、商業(yè)公司、高校等社會各界的不懈努力。

　　當(dāng)記者問目前都有哪些因素制約我國超算產(chǎn)業(yè)發(fā)展時，陳榮亮坦言，主要還是體制機制不健全，導(dǎo)致前期大家主要關(guān)注硬件的制造，后期的軟件研發(fā)工作跟不上。而盜版軟件的使用必然影響超算行業(yè)應(yīng)用。“某種程度上來說，超級計算機系統(tǒng)的應(yīng)用比計算機本身更重要。因為沒有軟件，計算機就是個空殼?！标悩s亮直言。他透露，目前雖然國家后續(xù)逐步加大軟件的研發(fā)，但短期學(xué)習(xí)這方面的人才還比較匱乏。

　　863重點專項專家組組長錢德沛教授認(rèn)為，超級計算機的發(fā)展根本動力來自于需求，超級計算機的目的應(yīng)該是造福人類。在這一基本認(rèn)知下，中國發(fā)展超算應(yīng)該從需求出發(fā)，解決最迫切的應(yīng)用問題?！安挥眠^于在乎超算的全球排名，我們要有爭第一的意識，但是不要太在意，還是要從應(yīng)用出發(fā)。”他進(jìn)一步強調(diào)。

　　對于應(yīng)用落后的問題，錢德沛指出，這主要有三個原因：第一、中國開展超算業(yè)務(wù)的時間還很短；第二，高性能計算人才缺乏；第三，中國軟件發(fā)展體制存在問題，由于盜版等因素沒人愿意進(jìn)行大型應(yīng)用開發(fā)。

　　由于我國超級計算機在應(yīng)用領(lǐng)域和國外發(fā)達(dá)國家仍有差距，導(dǎo)致我國的超級計算機應(yīng)用軟件大部分需要從國外進(jìn)口，這就意味著我國的超級計算機還尚未做到獨立自主?！般y河一號”主機系統(tǒng)負(fù)責(zé)人、“銀河仿真機”和“銀河二號”總負(fù)責(zé)人兼總設(shè)計師、中科院院士周興銘坦言，我國超級計算機使用的領(lǐng)域還比較窄，許多領(lǐng)域的應(yīng)用軟件是從美國購買的，這大大限制了我國超級計算機的發(fā)展。

　　事實上，作為我國科研發(fā)展的一個“通病”，對科技人員的激勵機制死板，同樣在超算應(yīng)用開發(fā)環(huán)節(jié)存在?！皩τ谥饕咳瞬刨Y源的軟件開發(fā)領(lǐng)域，你不能效仿硬件研發(fā)人員的方式來管理和激勵。比如，在科研經(jīng)費的使用流程方面，國家對科研器材花銷方面和科研人員補助薪金等方面都要求的過死。嚴(yán)重影響科研人員的積極性?！?/p>

　　對此，溫曉君建議從以下幾個方面完善，一是大力支持前沿計算和高性能計算機的立項研制。制定我國高效能計算機及應(yīng)用領(lǐng)域10年到20年的長期發(fā)展規(guī)劃。與《國家集成電路發(fā)展綱要》相結(jié)合，加大超級計算機、高性能CPU和相關(guān)軟硬件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化政策扶持力度。

　　二是以解決重大問題為目標(biāo)，加強對高性能計算應(yīng)用軟件研發(fā)的支持力度。在超級計算機研發(fā)過程中要同步開展應(yīng)用軟件的開發(fā)，更要在機器使用的全生命周期內(nèi)持續(xù)開發(fā)應(yīng)用軟件，逐步改變我國大型并行應(yīng)用軟件要依賴國外的被動局面。

　　三是堅持高效能計算機、高性能計算服務(wù)環(huán)境和高性能計算應(yīng)用全面均衡發(fā)展的戰(zhàn)略。高性能計算機是計算服務(wù)環(huán)境的基礎(chǔ)資源，服務(wù)環(huán)境是拓展應(yīng)用的基本條件，而應(yīng)用的發(fā)展會促進(jìn)機器和環(huán)境的進(jìn)步和發(fā)展。三者之間是相互依賴、相互促進(jìn)的關(guān)系。從應(yīng)用出發(fā)研制高效能計算機是必須遵循的原則，既要重視應(yīng)用的牽引作用，又要發(fā)揮技術(shù)進(jìn)步對于應(yīng)用的推動作用。

　　四是搞好產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育。產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育在前沿計算和高性能計算領(lǐng)域同樣適用。西方國家的超級計算機普遍采取國家預(yù)算維護、用戶免費租借（對工業(yè)用戶收取一定費用）的方式，以此培養(yǎng)用戶，構(gòu)建集硬件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件開發(fā)、用戶應(yīng)用場景為一體的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。