超算三国杀:谁盯上了中国超算?
来源:《环球》杂志 2016/10/21 15:50:05
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导读: 在竞争白热化的全球超级计算机最新排行榜上,中国的“神威 太湖之光”以超第二名近三倍的运算速度,让世界重新认识了“中国速度”。盯上中国超算新技术的不止谷歌公司,无论是“天河一号”还是“太湖之光”,其创新架构一直以来都引领着国际潮流。

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在竞争白热化的全球超级计算机最新排行榜上,中国的“神威 太湖之光”以超第二名近三倍的运算速度,让世界重新认识了“中国速度”。

9月18日,记者获悉,中国高性能计算企业中科曙光已启动E级超算原型系统研制项目。E级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机,被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”,它将在解决能源危机、污染和气候变化等重大问题上发挥巨大作用。

11月,超算领域的“诺贝尔奖”——“戈登贝尔奖”即将揭晓。几个月前,“神威 太湖之光”凭借3项全机应用首次入围“戈登贝尔奖”,占全球提名的一半。这也是该奖项设立30多年来,中国超算国产首次入围。

不过,运算速度并不能完全代表超级计算机的实力。在包括CPU芯片在内的核心零部件研发方面,中国与美国仍存差距。在目睹中国超算屡屡挺进榜单前列后,一些国家正在对中国进行芯片禁运,倒逼中国自主创新,发力赶超。

同时,3项全机应用入围“戈登贝尔奖”虽然是对国际上质疑中国超算重速度、轻应用的有力回击,但仍难以彻底改变中国超算在应用领域相对落后的现实。

在超算这一兵家必争之地,目前发达国家再度发力,甚至联手开发,国际竞争愈加激烈,而相关高科技人才的争夺战也如火如荼……中国超算如何应战?

谁盯上了中国超算

全球超算500强榜单的创始人、美国计算机科学家杰克 唐加拉说,“随着越来越多超级计算机在中国制造和落户,世界各地的科学家和企业家就越来越有可能把超级计算的需求带到中国,而不是美国。”唐加拉所说的“可能”,正在加速变成现实。

《环球》杂志记者/胡艳芬 吴晶晶(发自北京)

《环球》杂志记者/毛振华(发自天津)

超级计算机的“诺贝尔奖”——“戈登贝尔奖”即将于11月揭晓,全球超算领域的顶级科学家们都在期待这一时刻的到来。

几个月前,首次亮相的中国“神威 太湖之光”,一举夺得最新一期全球超级计算机500强榜单的榜首,还凭借3项全机应用首次入围“戈登贝尔奖”,占全球提名的一半。这也是该奖项设立30多年来,中国超算国产应用首次入围。

国际社会曾质疑中国超算只是一味追求运算速度,忽略应用,然而500强的七连冠和“戈登贝尔奖”的入围,向世界证明了中国超算正凭借速度和应用的双优势,站到了舞台中央。

一个更为直观的例子是,“太湖之光”正式运行才一个多月,国内外多个应用团队项目就通过使用该系统获得了突破,目前已取得60多项应用成果。

中国超算吸引着越来越多国外客户的关注。超算500强榜单的创始人、美国计算机科学家杰克 唐加拉说,“随着越来越多超级计算机在中国制造和落户,世界各地的科学家和企业家就越来越有可能把超级计算的需求带到中国,而不是美国。”唐加拉所说的“可能”,正在加速变成现实。

龙套跑成主角

“2002年以前,中国超算还在跑龙套。那时,美日欧并驾齐驱,是‘马拉松’的前三名。但在此后,中国超算实现了跨越式发展,从一穷二白,跑到了第一名,穿过了整个方阵。”中科院计算所计算机体系结构国家重点实验室研究员、中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉,从事超算研究21年,经历了中国超算最艰难的时刻,如今回忆往昔,他感触良多。

“过去我们参加国际会议,外国人根本不理我们,一是我们去的人少,另外,我们水平也低,没什么大机器,当然也没有发言机会,只能去学习。我第一次去美国参加超算年会是2007年,那时,我们刚起步,还是大会的旁观者。但自此后,中国超算的发展变得非常快,甚至超过我们的预期。”张云泉告诉《环球》杂志记者,这期间,中国从利用国外的技术,到完全用自己的技术、自己的处理器,建成世界第一的超级计算机,实现了“不拖泥带水的崛起”。

2010年,中国国防科技大学研制的“天河二号”在超算500强榜单上名列第一。“十二五”后,在国家863项目重点支持下,中国超算发展不断取得突破。到2015年,“天河二号”已实现了六连冠,而在今年6月,“神威 太湖之光”荣登500强榜首,“天河二号”屈居第二。

来自无锡超算中心的“太湖之光”很重要的一个突破是,它采用的是中国自主芯片“申威26010”,不仅用上了“中国芯”,其运算速度还比使用英特尔处理器的“天河二号”快了近3倍。

“太湖之光”到底有多快呢?它的峰值运算速度已达每秒12.54亿亿次,是全球第一台运行速度超过10亿亿次/秒的超级计算机。一个通俗的转换是,“太湖之光”一分钟的计算能力,相当于全球72亿人口同时用计算器连续不间断计算32年。

随着中国超算登顶次数增加,在全球超级计算机500强榜单上,中国制造的名单也越来越长。据统计,在2016年超算500强上榜计算机数量上,中国以167台超越美国165台,成为上榜最多的国家,这167台计算机全部是近15年研发的,而2001年前这一数字为零。

“这些成绩的背后,是全中国超算团队的前赴后继,其中最重要的三大家是:神威、天河和中科曙光。此外,联想和浪潮等公司也功不可没,这些商业公司比较早地走向了国际,打了前站,把市场培育起来。”张云泉说。

从公司的角度观察此次“500强”排名,你会发现,美国惠普公司生产的超级计算机依然最多,为127台;其次就是中国联想,从上一期的25台大幅上升至84台;位列第三至第五的分别是美国克雷、中国的中科曙光以及浪潮公司。

明星自有魅力

“当我们的超算成为世界明星,它释放的魅力是巨大的。”张云泉说,国外的超算需求纷至沓来,这是一份意外的惊喜,“我们过去老想着,有朝一日,我们的机器快了,我们就要把它用满了,用好了,现在发现结果比想像的好得多。

张云泉告诉《环球》杂志记者,“世界上很多超算科学家都渴望大机器,当新的项目在旧机器上已经跑不动了,而他们国家的超算发展却相对滞后,所以一旦咱们国家的新机器面世,他们就很迫切地把自己的代码、软件拿过来和中国人一起研制,特别是在不涉军涉密的科学研究上。”

在各超算中心看来,与国外建立的合作正在实现多赢。“一方面,中外双方可以开展联合研究;另一方面,对方也会交一部分费用给我们,填补我们机器的应用维护费用缺口,此外,我们还能学习人家的先进技术和理念,同时还能培养人才。”张云泉说。

“来自欧洲的超算需求显得很迫切,”张云泉说,“许多国外的朋友通过邮件找到我,说他们有个应用,希望和‘太湖之光’联合开展研究。还有法国大使馆的科技参赞也专门找到我,希望中法之间签订战略合作协议,让法国的科学家到中国来使用‘太湖之光’,这些合作我们都在落实当中。”

除了欧洲用户外,国家超算天津中心还拓展了美国、新加坡等地的用户,综合应用能力正在进一步提升。“国外的超算应用往往只针对某几个领域,比如新材料、气候变化、核能开发。‘天河一号’则覆盖了高性能计算的各个领域,包括石油物探、基因测序、装备制造等。”国家超算天津中心主任刘光明说。

据了解,目前欧盟已与天津超算中心开展了高性能计算技术的项目合作,双方将共同研讨未来超级计算机及应用技术的发展,为下一代超级计算技术研发提供指导。

刘光明说,包括德国国家科研机构于利希集团在内的国际企业用户,表示希望借助“天河一号”,逐步摆脱其他国家(美国)对其在超级计算机方面的技术控制。该中心已经与于利希超级计算机中心签署了合作协议。这也是该中心首次与国外超算中心达成合作意向。

德国于利希超算中心是欧洲最重要的超算机构之一,拥有两台世界排名在前二十左右的超级计算机。该中心还是欧洲最大的民用超级计算机的拥有者和研发者。

“我国现在的超算研制能力比较富余,厂商的能力也很强,我曾提出过这样的建议,就是‘中国的超算能不能出口,为欧洲研制超算,向欧洲输出中国的计算能力’,法方也有这种想法。因为欧洲没有很大的生产厂商,他们大多是购买日本和美国的机器,这对我国来说,是很好的机会。”张云泉说。

借助超算技术,中科院北京基因组研究所已成为世界各地科学家和制药公司的首选目的地。该所研究员章张向《环球》杂志记者介绍了近年来该所与国外合作者共同在恶性疾病研究上取得的成果。

白血病是青少年发病率、死亡率很高的恶性肿瘤。北京基因组研究所与中国医学科学院、美国辛辛那提儿童医院、芝加哥大学合作,通过高通量测序手段和高性能计算分析研究白血病致病机制,探索可采用低剂量化疗人群的分子遗传特征,多项科研成果已发表在Nature子刊《自然 遗传学》、Leukemia和Blood等杂志。

肾癌是泌尿生殖系常见恶性肿瘤之一,占成人恶性肿瘤的3%左右。北京基因组研究所经过近十年的研究,围绕肾癌发病机理展开系列研究工作,从研究生物发育开始,先发现了SPOP是肾癌的分子探针;到证明SPOP在肾癌发生中的关键作用;最后证明确定SPOP是治疗肾癌的新的药物靶标,先后与美国芝加哥大学、中国科学院上海药物所合作研究,取得了一系列重要研究成果。类似的研究成果还有很多。

技术突破是王道

国际合作使中国超算实现了技术突破,并在某些领域引领着潮流。一个典型的例子就是“寒武纪”神经网络处理器芯片。或许这个科技概念让你摸不着头脑,但2016年3月在“AlphaGo”和韩国棋手李世石之间展开的“人机大战”,你应该不会陌生吧。“AlphaGo”是谷歌公司开发的一款围棋程序,它战胜世界顶级围棋手李世石的成功秘诀,就是模仿人类通过神经网络进行“深度学习”。

“寒武纪处理器就是一款面向大数据和人工智能的高性能处理器,它是由中科院计算所和法国科学院国家资讯及自动化研究院(Inria)的科学家奥利维尔 特曼姆博士(现供职于Google)共同研制的。”张云泉说。

“这是一次重要的合作,寒武纪处理器的研制成功引领了一个潮流。过去都是用软件来加速人工智能学习,但这种做法效率低,功耗大,现在我们用硬件来支持机器的算法,这样一来,功耗降低到1/100,性能却提高了100倍,效果特别好。”张云泉说。

据了解,中科院计算所发布的“寒武纪”处理器,比“AlphaGo”所使用的处理器在性能上提升了两个数量级,也就是说,它能够让人工智能跑得更快、更远。如今寒武纪公司已注册成立,第一轮融资达6000万元,估值在5亿元人民币。

“寒武纪”课题组负责人之一、中科院计算所陈天石说,“深度学习”能发展到现今阶段,得益于计算系统运算能力的提升成果。“如今,这项成果将于今年内正式投入产业化。在不久的未来,反欺诈的刷脸支付、图片搜索等都将更加可靠、易用。”

“随着寒武纪处理器取得成功,包括谷歌公司在内的许多科技巨头也开始提出与中国类似的技术。”张云泉告诉《环球》杂志记者,这也证实了中国超算技术的指针作用。

盯上中国超算新技术的不止谷歌公司,无论是“天河一号”还是“太湖之光”,其创新架构一直以来都引领着国际潮流。

刘光明说,“天河一号”在国内首次创新性地采用了异构体系架构。“CPU加GPU的异构协同并行处理技术是中国科研人员的创新,引领了世界超算技术的新潮流。”在最近的世界超算500强榜单上,世界上最快的超级计算机中就有近半采用该技术,这是中国科学家对世界超级计算机技术的重要贡献。

由中国自主研制的超算高速互联通信系统也是其优势所在。国家超算天津中心主任助理孟祥飞介绍,“天河一号”内数万个CPU和GPU通过该系统实现信息交换,相当于编织起了庞大、高效的神经网络。该系统的通信能力是当时美国主流商业芯片的两倍。

还有两项创新分别来自于硬件和软件领域,即飞腾CPU芯片及麒麟操作系统,两项创新均出自国防科技大学。

孟祥飞表示,“天河一号”上配置的部分飞腾CPU已经证明了其性能,升级版飞腾CPU目前又运用到了“天河二号”中,助力其运算速度再次荣膺世界桂冠。麒麟操作系统是目前中国国产安全等级最高的操作系统,其对其他软件的包容性和易用性也已经在“天河一号”上得到了证明。

日美联合,挑战中国超算

世界超算研制的步伐从未停滞。据悉,近期美国已就建设两台超级计算机完成了立项,日本也计划再建超级计算机,这些计算机的运算速度朝着百亿亿次发起冲击。同时,两国还将共同开发用于驱动超级计算机的操作系统,从而在国际竞争中掌握主导权。

“日美宣布合作就是要通过‘强强联合’,对我国超算发展形成挑战与竞争。”中国现代国际关系研究院日本所研究员、日本经济问题专家刘军红指出。

日美之所以决定合作开发超算机新系统,专家认为主要是基于两点原因:一方面,目前超算机所使用的操作系统Linux无法驱动新一代产品,不得不进行配套升级;另一方面,推进诸如超算机这样需要巨额投入的大型科技项目时,在各国财政状况受金融危机影响吃紧的背景下,国际合作已成为趋势。此前,对发现被视为质量起源的“希格斯玻色子”的欧洲实验机构,日美欧等已经投入5000亿日元,巨大望远镜“TMT”和“国际直线对撞机”等项目也引入了国际合作。

刘军红认为,尽管日美双方曾发生多次关于超级计算机的贸易摩擦,但随着近年来两国之间同盟关系的强化,此次合作除了与中国形成竞争,更将成为日本推动全新国家IT战略的重要手段。

美国超算“软硬”并重

有专家认为,美国的超算优势主要表现在核心技术方面,例如处理器、互联网络、系统软件,以及并行编程环境与标准制定等等。

《环球》杂志记者/林小春(发自华盛顿)

对于超级计算机这样的国之重器,作为世界头号科技强国的美国从来都不甘人后。美国的超算优势主要表现在核心技术方面,例如处理器、互联网络、系统软件,以及并行编程环境与标准制定等等。

国家863计划高效能计算机及应用服务环境重大项目总体专家组组长、北京航空航天大学教授钱德沛认为,美国超算在整体上仍处于领先地位,技术储备纵深更强,在超算应用方面也更有优势。

核心技术是优势

超算对科研和国防具有决定性作用,美国一直在这一科技领域里保持着霸主地位。

回想2002年,“世界最快超算拥有者”称号首次被日本夺去后,美国反应强烈,立即加大超算投入与研究,迫不及待地将这个称号夺了回来。

全球超级计算机500强排行榜每年6月和11月各公布一次。美国曾长期垄断该榜单榜首位置。2010年,中国“天河一号”首次在该榜单登顶,但半年后即被日本的“京”拉下马。不过,“京”也只支撑了一年,榜首位置又被美国夺了回去,并一直保持到2013年。

从超算总数来看,美国一直都是最强的国家。在2016年6月公布的TOP500中,中国超算上榜总数从上一期的109台猛增至167台,超过美国首次登上榜首;而美国则从上一期的199台下降至165台,有史以来首次无缘总数第一。

中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉介绍说,美国的优势主要表现在超级计算机的核心技术方面,例如处理器、互联网络、系统软件,并行编程环境和标准制定等等。另一超算强国日本也有其独有的核心技术,不过其研制的系统往往价格昂贵,难以市场化。

在钱德沛看来,美国超算在整体上仍处于领先地位,技术储备纵深比中国强得多。另外,美日欧在超算应用方面都比中国有优势。

开启“新时代”的计划

不过,最近几年中国超算的高速发展,显然也刺激到了美国。

2014年11月,中国“天河二号”夺得四连冠前两天,美国能源部推出了“珊瑚”计划,宣布将投资3.25亿美元,建造分别名为Summit与Sierra的两台超算,其运算速度将是“天河二号”的3至5倍。“珊瑚”计划抢在榜单发布前夕公布,难免让人产生联想。

2016年6月20日,新的TOP500榜单发布,星光闪耀的“神威 太湖之光”每秒能运算9.3亿亿次,以比“天河二号”快出近两倍的速度夺冠。

次日,就有美国媒体曝出,Summit将在2018年初投入使用,速度也确定下来了:每秒20亿亿次,是“神威 太湖之光”两倍之多。美国能源部发给媒体的声明说,美国的超算能力自1993年以来“指数增长30万倍”,“高性能计算依然是能源部的优先项目”。

2015年2月18日,在中国人欢度除夕之时,一份6页的美国商务部公告在地球另一边悄然登上美国联邦政府纪事网站。在中国“天河二号”连续两年成为超级计算机排行榜榜首后,美国政府终于对中国出手,下令限制英特尔公司向中国4家超算相关机构出口芯片。

一个半月后,这件事被媒体曝光。当时,英特尔一名发言人在电话中对《环球》杂志记者吐槽说,英特尔卖给中国的芯片都是普通产品,全世界的电脑商店均可买到,这个限售令并不合情理,但“美国政府得出了自己的结论”,该公司必须“遵守美国法律”。

这个更多带有政治秀色彩的限售令,只能说明一个事实:中国超算进步的速度让美国感到了威胁。果不其然,当年7月美国总统奥巴马签署行政命令,宣布启动美国《国家战略性计算计划》,要求美国在本世纪20年代中期造出世界上最快的超算,运算速度达每秒百亿亿次级规模,超过“天河二号”至少30倍。

“过去60年里,美国一直是开发与部署先进计算系统的领导者。高性能计算系统有高水平的计算能力与庞大的存储容量,一直是,并(至今)仍然是经济竞争力、科学发现与国家安全必不可少的部分。”美国白宫官网当时一篇文章写道,“今天,奥巴马签署行政命令启动《国家战略性计算计划》,就是为了保证未来几十年里美国继续保持这个领域的领先地位。”

这份被认为开启美国超算“新时代”的计划还要求,未来15年,美国应在政府主导下,为将来的超算系统乃至突破现有半导体技术限制之后(被称为“后摩尔时代”)的超算系统探索一条可行的途径。

超算权威榜单TOP500的主要编撰人之一、美国田纳西大学教授杰克 唐加拉对《环球》杂志记者说,美国《国家战略性计算计划》从很高的高度看待高性能计算,“它基本上就是说,高性能计算很重要,应该严肃对待。相当于先让我们‘进屋子’,而不是去讨论为什么要进去。”

“快”尽其用

客观地说,由于中国在超算尤其是超算制造方面强势崛起,美国现在对能不能拿下最快超算的荣誉已不及10年前那么热衷。

美国总统科技顾问委员会报告强调,高性能计算“现在必须有更广泛的含义,不仅仅包括浮点运算速度,还要涵盖其能力,例如高效地处理庞大且急剧增加的数值和非数值数据的能力”。所以,当美国按照《国家战略性计算计划》于本世纪20年代中期造出百亿亿次级超算时,与中、日等国家相比,可能又落后了一步。

美国政府现在认为,超算速度快是一方面,还要强调能“快”尽其用。

9月初,美国能源部宣布资助第一轮15个百亿亿次级计算项目应用开发,总价值3980万美元。在这15个项目当中,基础研究与应用研究差不多各占一半,主要是在分子动力学、计算化学、流体力学、核物理与宇宙学等领域进行仿真与建模,其中令人感兴趣的一些项目包括通过深度学习与模拟推进癌症精确医疗、地球水循环建模,等等。

美国能源部的声明说,在挑选这些项目的过程中,一个关键考虑因素就是它们能否充分利用好百亿亿次级超算的能力。

《环球》杂志记者曾参观过位于美国中西部科罗拉多州的国家可再生能源实验室,这里使用的超算Peregrine虽然速度排不到前列,但很有特色。它是世界上能效最高的超算之一,也是世界上第一个使用暖水而不是空调降温的超算,还通过废热捕集再利用降低能量使用与成本。研究人员利用它来模拟各种能源使用场景,比如太阳能发电量增加对电网硬件的影响。

TOP500新闻总编辑迈克尔 费尔德曼认为,美国强调发展百亿亿次级超算“软硬”并重,是值得赞同的谨慎之举,美国不应为了竞争而加入超算的军备竞赛。

“并不是说得了第一就能保证技术优势,”费尔德曼近日在《发展百亿亿次级计算,要做正确而不是抢第一》一文中写道,“为了第一台百亿亿次级超算而造出一个‘噱头’机器,不会给有关国家或机构带来任何持久性优势。从这个方面看,美国(本世纪20年代中期造出百亿亿次级超算)的计划看上去是最谨慎的。”

日本“京”的便利性

“京”的存储器性能强大,是一型在实际操作中可以实现多领域应用的超算。在解决TOP500提出的问题时,“京”耗费的时间只有“神威 太湖之光”的九分之一,即便计算变得复杂,速度也不容易变慢。

《环球》杂志记者/蓝建中(发自东京)

日本社会从政府到民间都极为重视科研创新。在超级计算机这类走在世界科学前沿的重点领域,日本政府不惜投入巨资进行研究开发,确保日本的科研实力得到提高。

在日本,超级计算机分为由政府和学术界主导的作为国家项目的大型超算,以及产业界或者是产业界和学术界合作推出的接近日常生活和工业领域应用的超算。这两大类型超算之间经常进行合作。日本最主要且最先进的超级计算机是作为国家项目的“京”。

“京”的建设过程

2005年8月,日本文部科学省科学技术和学术审议会提出,作为国家战略,有必要持续推进研究开发拥有最尖端性能的超级计算机。当年10月,在文部科学省的倡议下,以理化学研究所作为核心开发主体,超级计算机“京”项目正式上马。“京”不是针对某个领域的专用机,而是拥有广泛用途的通用计算机。

2006年9月,日本提出,“京”的浮点计算能力要达到每秒1万万亿次。根据规划,“京”共有88128个CPU,总开发费用约为1120亿日元(约合人民币72亿元)。

2011年6月20日,“京”的建设尚未全部完工。不过在当月发布的全球超级计算机TOP500榜单中,“京”依靠每秒8162万亿次的计算能力获得桂冠。

2010年11月2日,“京”达到每秒1.051万万亿次的计算速度,实现了最初的性能指标,在当月发布的TOP500中蝉联第一位。

2012年6月“京”完工。不过,“京”在当月的TOP500中降至第二位,同年11月降至第三位。当年的第一被美国的“泰坦”夺走,其运算能力达到每秒1.759万万亿次。

近年来,不断有更快的超算被制造出来,“京”在TOP500中的排名也逐渐下滑。2016年6月20日,“京”在TOP500中获得第五名。

“京”的开发过程中还有一个小插曲。2009年11月13日,时任内阁府行政革新担当大臣莲舫作为内阁府的预算分配人,要求文部科学省削减超级计算机的开发预算。她表示:“为什么要成为世界第一呢?第二就不行吗?”

随后,“京”的开发事实上被冻结。不过,由于引起巨大非议,科学技术团体和科学家紧急发表声明,对此表达担忧。时任理化学研究所理事长野依良治指出:“发达国家都是以国家威信为赌注争先恐后开发超级计算机,(“京”)一旦冻结就会被其他国家赶上。”

2009年11月,日本政府决定恢复预算,不过在12月削减了少许预算。时至今日,日本保守阶层仍然指责称,由于莲舫冻结预算而导致中国超算运算速度达到世界第一。

实现多项世界首创

“京”虽然不是世界上最快的超算,但它在设计时就重视使用的便利性。在日本,有很多业内人士主张“超算还是要有用才行”。

《日本经济新闻》撰文指出,日本和中国在超算设计思路上有区别。“京”的存储器性能强大,是一型在实际操作中可以实现多领域应用的超算。在解决TOP500提出的问题时,“京”耗费的时间只有“神威 太湖之光”的九分之一,即便计算变得复杂,速度也不容易变慢。

在与实际运用距离更近的“Graph500”的排行榜上,截至2016年9月,“京”已经连续三届摘得桂冠。在工程学上解决复杂课题的高性能共轭梯度(HPCG)基准测试排行榜上,“京”的成绩也相当不错,力压“神威 太湖之光”占据次席。

建成前后,日本多个研究机构利用“京”取得了大批学术成果,有些成果还是世界首创。

2011年11月11日,东京大学地震研究所的研究小组利用“京”,在世界上首次将表层地基震动与其上建筑物晃动组合在一起,模拟城市地震灾害发生过程。

2012年11月9日,筑波大学一个研究小组宣布,他们利用“京”模拟演算了约2万亿个粒子由于相互作用的重力而集中并产生构造物的过程。这有助于弄清暗物质的性质以及宇宙是如何诞生的。

2013年9月20日,理化学研究所等机构组成的研究小组宣布,利用“京”,首次超高清晰度地模拟了整个地球的云团活动状况。以前,全球大气模拟只能限定在3.5公里见方范围内,而用“京”最高可以再现0.87公里见方范围内的大气状况,从而提高全球气候变暖的预测精度。

2014年2月,东京大学特聘教授久田俊明和杉浦清了的研究小组宣布,他们利用“京”,首次开发出高精度再现心脏搏动的模拟技术,以此为基础就能选择最适合患者的治疗方法。

2014年4月11日,东京大学研究生院副教授横山央明和日本学术振兴会海外特聘研究员堀田英之率领的研究小组宣布,他们利用“京”,在世界上最为精细地再现了太阳内部的热对流结构,精确度相当于2008年美国小组宣布的6倍。这成为弄清太阳内部热对流结构机制、预测太阳活动变化的第一步。

2014年8月28日,京都大学基础物理学研究所特聘助教木内建太的研究小组利用“京”进行模拟演算,弄清了中子双星的磁场增幅机制。

2015年3月4日,东北大学和富士通研究所的研究人员宣布,他们利用“京”开发出一种系统,能在地震发生约10分钟后预测海啸浸水范围。

2016年5月24日,京都大学和东京大学的研究小组在美国《科学》杂志网络版上报告说,他们利用“京”发现了癌细胞基因特定领域存在异常之后人体的免疫力攻击力将会降低的机制。

开发性能更强的超算

尽管“京”已经取得了一系列成果,不过日本文部科学省早已瞄准了下一个10年。

2013年5月8日,日本文部科学省的专家工作小组通过了开发下一代超级计算机的计划,其性能相当于“京”的100倍,即每秒运算次数达到100万万亿次的“EXA”级超算,应用到新药开发、防灾减灾等领域。

据《日本经济新闻》报道,目前政府推进的新一代超算开发计划也继承了“京”这种重视使用便利性的设计理念。设计时设定了9个重点课题,为了便于更广泛领域的使用者操作进行更为细致的协调。

除了日本,一些欧美国家和中国也在计划研发“EXA”级超算。日本文部科学省希望在2020年完成“EXA”级超算的开发,并制定了详细计划。此次开发将由理化学研究所等研究机构和企业合作进行,文部科学省希望开发费用低于“京”。

专家小组还指出,由于超级计算机需要消费大量电力,今后的课题是开发节电和冷却系统方面的相关技术。

超级电脑:算天算地算人

演变至今的超级计算机都有哪些用处呢?简单地说,就是可以利用超强的运算能力来实现人类曾经无法实现的理想。科学家们把超级计算机的应用内容概括为:算天、算地、算人。

《环球》杂志记者/胡艳芬 吴晶晶(发自北京)

《环球》杂志记者/毛振华(发自天津)

《环球》杂志记者/蒋芳(发自南京)

《环球》杂志记者/赵小羽(发自济南)

《环球》杂志记者/吴燕婷(发自广州)

说到超级计算机,一些人的记忆可能还停留在上世纪80年代教科书上的“银河”系列,它的特征大致是体型巨大、运算速度快。中国从上世纪六七十年代就开始研制超级计算机,近半个世纪的攻关,只是为了实现快速运算吗?演变至今的超级计算机都有哪些用处呢?

简单地说,就是利用超强的运算来实现人类曾经无法实现的理想。

比如,算出风中哪朵云要下雨,进而建议你一会儿出门要不要带伞,尤其对极端天气的预测会更加精准;

比如,算出未来一段时间的大气污染物浓度和分布,甚至找出偷排的“罪魁祸首”;

比如,模拟血流、心脏或其他人体任何一个部分的运动,告诉你发生脑梗塞的风险系数,或者是否需要做支架手术,等等。

算天,算空气

科学家把超级计算机的应用内容概括为:算天、算地、算人。

2016年获得“戈登贝尔奖”提名的应用“全球大气非静力云分辨模拟”是由中科院软件所和清华大学及北京师范大学联合模拟的。北师大全球变化与地球系统科学研究院教授王兰宁,是该项目团队成员之一。他从上世纪90年代开始从事气象预报,到后来转型成为大气分析专家,预报天气的准确率不断提升。

“下不下雨关键看云层运动,在没有超算之前,观测云层的精度是按照经纬度。有了超算之后,就可对云层运动进行精确模拟与观测。”王兰宁说,为了提高观测精度,他十几年来一直追逐着超算发展的脚步。

2011年,他在天津超算中心的“天河一号”上实现了观测精度10万公里的目标;随后,他又在“神威蓝光”上实现了1万公里精度;2016年,他在“太湖之光”上实现了9公里精度。如今,他在向着3公里精度努力。“这个模拟规模也是全世界最大的,机器使用效率也很高,超过80%。”中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉说。

“如果能够盯住每一朵云,天气预报就将万无一失。”王兰宁说,当然,这还需要更强的超算能力来支撑。

国家超算天津中心主任刘光明则表示,在“算天”方面,超级计算机还能计算分析大型飞机外形的空气动力特性,使飞机飞得更快更省油。而服务于雾霾天气预警预报是其最近又一新的应用领域。

据悉,天津超算中心研究人员目前正致力于利用“天河一号”服务于雾霾天气预警预报,未来3年有望形成全国性雾霾预警预报能力。

国家超算天津中心主任助理孟祥飞说,天津中心联合中国气象局气象科学研究院、国家气象局卫星数据中心、清华大学等单位,以“天河一号”为支撑平台启动“我国雾霾监测与数值预报模式系统研究”建设以来,已经研发出雾霾自动化实时预警预报系统。该系统目前正以河北保定作为试点,预报能力已经由最初的未来3天逐渐延长到了未来5天,实用效果不断提升。

雾霾情况的预警预报离不开对空气中污染物的种类、污染源及气象情况的综合分析。孟祥飞表示,研发人员将这些数据一起放到“天河一号”超级计算机上,建立综合的数值模拟模型。基于大数据的理念,形成一个实时的、大范围的、高精度的、时效性强的雾霾监测预报系统,从而实现雾霾治理。

算地,算海洋

在“算地”方面,天津超算中心与中石油东方地球物理公司合作,研发中国自主的石油地震勘探数据分析核心软件,将地下成像速度由过去的三天提高到一天。在自主“天河一号”和自主石油地震勘探数据处理核心软件的两个自主上,他们成功实现了对国外技术限制的突围。中心还与天津城建大学签署合作协议,在建筑信息模型领域开展全方位合作,以提升中国建筑信息化水平,服务于智慧城市建设。

“算海洋”如何实现,不妨以寻找MH370为例,当时的南印度洋一度成为世界科技角力的战场,大量的卫星雷达集中对准它,当这些高科技“眼睛”采集到信息后,一个必经的环节就是数据处理,担当这一重任的正是超级计算机。“只要有足够精确的相关数据,超算就能找到失事飞机。”清华大学地球系统科学研究中心副教授黄小猛说。

另一个获得“戈登贝尔奖”提名的应用——国家海洋局海洋一所与清华大学合作的“高分辨率海浪数值模拟”,有利于人类进一步了解海洋环境。

在海洋领域,济南超算中心还建立了一个包含大气、陆地、海洋、海冰和海浪五个分量的全球0.05度高分辨率地球系统,追赶上美国、日本、德国等先进国家,增加了中国在气候变化领域的话语权;在国内首次实现了南中国海内孤立波预报系统,为南中国海航行和海洋工程提供参考。

算人,算生命

模拟血流、模拟心脏、模拟人体任何一个部位,有了超级计算机,这些都不再是梦想。

只要运算核够多、速度够快,医疗工作者的诊断和治疗水平将大大提升,而科学的治疗手段更容易让患者接受。

中科院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮,近日也在利用“太湖之光”对人体血流进行模拟与分析,利用这种模拟和分析,可以及时有效地判定一个病人是否有发生脑梗塞的风险。

“过去,对一个可能发生脑梗塞的病人,医院难以判断是否要进行支架手术,一般都会通过从大腿动脉处放进测压导丝进行测量,这种方式既危险又痛苦。如今,经过模拟计算,只要血流储备分数小于0.8,就要做手术。”陈荣亮说。

此外,超算对药物设计的意义重大。“比如最近寨卡病毒爆发,中科院药物所借助超算,在生物的分子库里搜索,根据寨卡分子的蛋白质结构和生物分子库里的分子之间的耦合度,进行匹配。据说是在几百秒的时间里就完成了这个匹配,这在过去需要几个月的时间。借助超算,加快了药物的设计过程,也能尽快挽救生命,防止疫情蔓延。”张云泉说。

在“算生命”方面,天津超算中心与华大基因合作,破解人类“基因组学”研究中面临的海量数据存储和处理的技术瓶颈。军事医学科学院还在“天河一号”上进行了以胰岛素受体为靶点的糖尿病新型治疗药物的研发。

深圳华大基因研究院曾代表中国参与了“国际千人基因组计划”。院长汪建告诉《环球》杂志记者,不断涌现的海量数据成为“基因组学”进一步发展的瓶颈,而高性能计算机为这一领域带来了曙光。“使用‘天河一号’,过去要一年才能完成的500人基因信息关联性分析,现在只需3个多小时,对于提升我国的综合国力具有重要意义。”

中科院北京基因组研究所在“精准医学”研究上,已走得很远。该所研究员章张告诉《环球》杂志记者,随着新一代高通量测序技术的飞速发展,测定个体基因组的成本已从上世纪“人类基因组计划”时代的30亿美元降到了现今“精准医学”时代的1000美元以下,从而为精准医学研究提供了海量而宝贵的生物组学数据资源。而这一切都是基于超级计算平台对精准医学大数据的解析。

此外,在材料、金融、动漫、影视等各领域,超算也有不俗的表现。

此次获得“戈登贝尔奖”提名的第三个应用是钛合金微观结构模拟。张云泉告诉《环球》杂志记者,“钛合金的材料广泛用在航空发动机的叶片上,而发动机的叶片是一种很重要的材料,材料的弹性、脆性对发动机的寿命会产生很大的影响,这次用‘太湖之光’做了全球最大规模的钛合金微观结构模拟,对于我们研究钛合金材料、基础构件都有很大的帮助。”

此外,以动漫与影视特效渲染为例,“天河-酷卡”云计算渲染平台已经在北京、上海等地建立了任务提交中心,全国各地用户均可提交通过“天河一号”运算。动画影视作品的渲染制作周期将由原来的4~6个月缩短到一天。如果根据项目任务量合理分配,可同时为8部动漫影视作品提供渲染制作。

金融领域也离不开高性能的计算资源。渣打银行集团东区首席信息官周伟杰说,渣打银行过去一直租用国外超算资源,以满足在金融市场风险分析和金融市场软件模拟测试方面的需要。“与国家超算天津中心的合作,会在风险分析、成本分析、投资组合构建等金融领域为渣打提供帮助,运算的效率也将大幅提高。”

“总的来说,超算的能力很强,它能做过去人类历史上没做过的事,或者能将过去需要花漫长时间才能完成的事,在很短的时间内完成。加快了研制过程,缩短了取得科学发现的时间。超算能让我们取得别人取得不了的发现,让我们首先看到某个现象,找到里面的规律,取得科学新的进展,这对国家的科学发现和提高竞争力、促进经济发展都很有裨益。”张云泉说。

直面“超算反击战”

虽然中国超算在应用领域已取得惠及中外的重大成果,但应用上相对落后的现实仍无法忽视。发达国家仍在加速前进,高科技人才争夺越来越激烈。在赢得速度之争后,中国超算的前路依然布满挑战。

《环球》杂志记者/胡艳芬(发自北京)

《环球》杂志记者/毛振华(发自天津)

《环球》杂志记者/蒋芳(发自南京)

在竞争白热化的全球超级计算机最新排行榜上,拔得头筹的中国“神威 太湖之光”以超第二名近三倍的运算速度,让世界重新认识了“中国速度”。

然而,运算速度并不能完全代表超级计算机的实力。尽管中国超算速度已领跑全球,但在诸多方面仍有提高余地。在包括CPU芯片在内的核心零部件研发方面,中国与美国仍存差距。尤其是,当目睹中国超算屡屡挺进榜单前列之后,一些国家正在对中国进行芯片禁运,倒逼中国自主创新,发力赶超。

另一方面,虽然中国超算在应用领域已取得惠及中外的重大成果,但应用上相对落后的现实仍无法忽视。发达国家仍在加速前进,高科技人才争夺越来越激烈。在赢得速度之争后,中国超算的前路依然布满挑战。

自主研发应对“超算反击战”

CPU芯片是电子信息产品的核心,也是国家技术实力的象征。然而,在现有的两台“天河”超算上,国产CPU比例还不高,这也成为中国超算核心要素中的短板。

近期,美、日等国均涉足研制百亿亿次超算。国家超算天津中心主任刘光明告诉《环球》杂志记者,为进一步拓展计算能力,在“十三五”期间,天津中心结合国家战略规划和需求,计划研制中国新一代百亿亿次超级计算机。“这一计算机的特点是突出全自主,自主芯片、自主操作系统、自主运行计算环境。”

目前,由该中心同国防科技大学联合开展的中国新一代百亿亿次超级计算机样机研制工作已经启动。在样机破解关键技术基础上,下一阶段将开展具体超算研发,届时它将成为国内自主化率最高的超算。

国家超算天津中心主任助理孟祥飞介绍,这项工作的第一阶段是样机研制,重点是突破百亿亿次超算的关键技术难题。该项工作预计将在2017年底至2018年初完成。在此基础之上才是新一代百亿亿次超级计算机的研制。孟祥飞说,根据规划,它的浮点计算处理能力将达到10的18次方,是现在“天河一号”超算的200倍,比现有最快的超算运算能力提升一个新的等级。

他还表示,新一代百亿亿次超算和现有相比,将不仅仅是计算能力上的扩展,更重要的是技术的突破,计算密度、单块计算芯片计算能力、内部数据通信速率都将得到极大提升。而且,它将是国内自主化率最高的超算,中国自主研发的CPU、高速互联通信系统、操作系统等都将投入使用。

此前,中国国家超级计算长沙中心、国家超级计算广州中心、国家超级计算天津中心和国防科技大学4家机构被部分国家列入芯片限售对象。随着使用国外芯片的“天河一号”和“天河二号”接连成为世界运算速度最快的超级计算机,外界普遍认为这很可能是国外“超算反击战”的序幕。不过业内人士对此持有相对乐观的态度,认为这很可能会加速倒逼国产芯片的研发。

国防科技大学教授、“天河二号”系统主任设计师卢宇彤曾在公开场合表示:“在‘天河一号’和‘天河二号’上已经有一部分我国自主研制的飞腾CPU的小规模试用。飞腾系统已经达到了“天河一号”时代英特尔CPU的水平,当然跟国外最先进的CPU还有3到5年的差距。”他表示,中国高性能计算机的发展,会主动应对各种挑战,在未来不太长的时间里,能迈上一个新的台阶。

打造更“好用”的超算

“美国超算霸主的地位,不仅由于核心处理器与速度方面的优势,更在于其超级计算机的应用。与我国长期致力于超算速度突破不同的是,美国的超算发展始终坚持以应用促研发,这也是其近年来在超算速度之争中放缓脚步的重要原因。”国家并行计算机工程技术研究中心副主任梁军告诉《环球》杂志记者。

赢得了速度之争的中国超算,应用不足的弱点始终为美日等超算强国所诟病。有专家甚至由此表示,中国根本没有必要发展那么多超算。而事实上,发展超算的根本目的也在于将其用于科研,如何补足应用短板,是中国迈入超算强国的必由之路。

梁军表示,“神威 太湖之光”能够取得成功,在于吸收了此前中国超算发展不重应用的教训,在研发中,始终坚持边研发边应用,以应用促研发。

梁军说,“太湖之光”在设计阶段,研发团队便开始与国内顶级超算用户不断接触。国家并行计算机工程技术研究中心为此成立了一个20多人的用户团队,他们专门负责与做大气模拟、石油勘探、材料工艺、浪情分析等各个应用领域的专家进行对接,听取他们对超算应用的需求及技术研发路线的建议。如今看来,这样的做法对“太湖之光”的成功研发发挥了至关重要的作用,加快了研发过程,也让系统运行起来更加稳定。

“太湖之光”的稳定性得到国内很多超算应用团队的赞许。北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院王兰宁教授告诉《环球》杂志记者,国内排名前几位的超算他都用过,但有些机器不够稳定,有时会突然发生故障,这让他们寝食难安。而“太湖之光”是其中最稳定的,这为科研打下了非常坚实的基础。

正是由于坚持边研发边应用,在“太湖之光”登顶世界第一的同时,基于“太湖之光”的三项应用才得以入围“戈登贝尔奖”。

人才永远是稀缺资源

“正是那些似乎不被需要的日子,锻炼了我们,让我们做得更好。”中科院计算所计算机体系结构国家重点实验室研究员、中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉说。

作为如今中国超算领域的青年领军人才,张云泉经历了中国超算最艰难的时光。“最黑暗的时期是从2000年到2005年。那时超算还是个冷门专业,科研投入比较少,申请经费较困难,人才大量流失,我们当时的实验室都快倒闭了,最惨的时候,实验室连5000元的活都接过,我们一边继续研究,一边靠给公司打零工维持生计。一直到2005年,当时英特尔公司发布多核处理器,意味着并行计算技术将有大用处,自此我们才看到曙光。”

在张云泉看来,超算领域的人才稀缺几乎是永恒的难题,但过去是苦于“英雄无用武之地”,如今面临的更严峻的问题是人才流失。“随着超算往互联网领域渗透,和大数据结合,互联网公司对超算的需求增加,如今能学以致用的超算人才已比以往多了,这是一个好现象。”张云泉说。

国家超级计算无锡中心主任杨广文说:“超算是一个交叉性很强的学科,需要一大批多领域专家集中在一起共同研发,如果全靠超算中心自己来招聘人才是难以承受的。”

据悉,无锡超算中心正在运作一种全新的机制:与应用部门共同成立专题联合实验室,比如流体力学实验室、新药研发实验室、汽车碰撞实验室等。联合实验室的主任由应用方的学科带头人来担当,就是要让相关领域最强的专家来引领这一联合实验室的工作,而无锡超算中心则利用全球最强的运算能力为他们提供支持,并指导或协助进行程序移植,自主研发大型并行应用软件。此外,还可以与有需求的企业联合开发应用软件。

“这样,超算中心就不用招聘那么多的应用人才,而是需求方带着自己的应用软件与研究团队到无锡超算中心一起工作。这种机制将有利于人才引进,大大缓减中心人才紧缺的问题。”杨广文说。

原标题:超算三国杀:谁盯上了中国超算?

责编:胡玲莉 (如涉版权请联系banquan@haijiangzx.com  转载请注明海疆在线)

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