美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間昨日，世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)公布了最新的全球超算排行榜。部署在廣州超算中心的“天河二號(hào)”蟬聯(lián)桂冠，以比第二名美國(guó)的“泰坦”快近一倍的速度繼續(xù)領(lǐng)跑全球。預(yù)計(jì)今年底，“天河二號(hào)”將完成調(diào)試并試運(yùn)行。那么，超算的建設(shè)進(jìn)度到底如何？這臺(tái)“巨無(wú)霸”有何特點(diǎn)？南都記者日前探營(yíng)仍在緊張施工的超算中心，為大家揭開(kāi)“天河二號(hào)”的秘密。

嶄新的房間，一排排黑色的機(jī)柜，柜內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的各色電線(xiàn)，工作人員們正緊張地調(diào)試著……這就是剛剛蟬聯(lián)世界最快計(jì)算機(jī)的“天河二號(hào)”的機(jī)房。

從1993年起，世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)組織每年會(huì)發(fā)布兩次全球超算500強(qiáng)排行榜，在超算領(lǐng)域，這也是最具國(guó)際影響力的排行榜。

在本次500強(qiáng)榜單中，排行榜前五名沒(méi)有發(fā)生變化，瑞士的“代恩特峰”成為前十榜單中唯一的新面孔?！疤旌佣?hào)”的前代、部署于天津的“天河一號(hào)A”則離開(kāi)了前十榜單，位列第12位。

500強(qiáng)擁有數(shù) 美國(guó)仍占優(yōu)

本次的500強(qiáng)中，美國(guó)擁有265臺(tái)繼續(xù)領(lǐng)跑全球，中國(guó)的63臺(tái)和日本的28臺(tái)分列二、三位，其后是歐洲的英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)。同時(shí)，依靠“天河二號(hào)”的巨大運(yùn)算能力，中國(guó)的超算總運(yùn)算能力也超越了日本，成為全球第二。

美國(guó)國(guó)家公共廣播電臺(tái)10月28日發(fā)表的一篇文章分析，由于美國(guó)的自動(dòng)減赤機(jī)制導(dǎo)致類(lèi)似橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室這樣的科研機(jī)構(gòu)獲得的財(cái)政撥款減少，新超級(jí)計(jì)算機(jī)的建設(shè)計(jì)劃也變得愈發(fā)遙遠(yuǎn)。新榜單公布后，唐加拉認(rèn)為，以“天河二號(hào)”幾乎是泰坦兩倍的運(yùn)算能力，在第一名的位置上再停留一年也并不讓人意外。

廣州多所高校參與推廣

“天河二號(hào)”部署后，廣州超算中心也將加入天津、長(zhǎng)沙、深圳、濟(jì)南的行列，成為超算中心國(guó)家隊(duì)行列中的第五個(gè)成員。

目前，超算中心的工作主要由國(guó)防科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。據(jù)介紹，超算中心將建立研究院和工程中心，分別從理論和應(yīng)用方面推進(jìn)超算的發(fā)展。

在未來(lái)，廣東工業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、華南理工大學(xué)等學(xué)校都會(huì)圍繞超算進(jìn)行專(zhuān)門(mén)人才的培養(yǎng)。目前中大已設(shè)立超算學(xué)院并招募了30名碩士研究生，招生簡(jiǎn)章中專(zhuān)門(mén)強(qiáng)調(diào)，特別鼓勵(lì)物理、化學(xué)、生物、海洋、大氣科學(xué)、地球物理等與超算應(yīng)用密切相關(guān)專(zhuān)業(yè)的考生報(bào)考。此外，中大還有計(jì)劃設(shè)立本科的超算專(zhuān)業(yè)。

中國(guó)超算發(fā)軔于“文革”結(jié)束后科技發(fā)展對(duì)大規(guī)模計(jì)算的需求。從1983年我國(guó)第一臺(tái)計(jì)算能力超過(guò)一億次每秒的“銀河-I”開(kāi)始，國(guó)防科技大學(xué)始終是國(guó)內(nèi)超算研制的領(lǐng)軍者。由國(guó)防科大和天津?yàn)I海新區(qū)聯(lián)合研制的“天河一號(hào)A”在2010年10月登上全球超算500強(qiáng)排行榜榜首，成為第一個(gè)來(lái)自中國(guó)的世界最強(qiáng)超算。

但歐美國(guó)家和日本一直也在超算領(lǐng)域進(jìn)行巨大的投入?！疤旌右惶?hào)A”奪冠后，日本的“京”、美國(guó)的“紅杉”和“泰坦”先后登上世界第一的寶座?！疤旌佣?hào)”則是這一戰(zhàn)局中的新挑戰(zhàn)者。2011年11月25日，廣東省政府、廣州市政府、國(guó)防科技大學(xué)、中山大學(xué)在廣州簽約，就合作研制高效能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，共建廣州超級(jí)計(jì)算中心簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。正是這一協(xié)議促成了“天河二號(hào)”的問(wèn)世。

“天河二號(hào)”的研制堪稱(chēng)神速，今年5月底，500強(qiáng)組織創(chuàng)始人之一、服務(wù)于田納西大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的杰克·唐加拉就在長(zhǎng)沙對(duì)已經(jīng)完工的“天河二號(hào)”進(jìn)行過(guò)超過(guò)5小時(shí)的測(cè)試，當(dāng)時(shí)的測(cè)試結(jié)果顯示“天河二號(hào)”的運(yùn)算速度達(dá)到3.065億億次/秒，理論峰值則是5.49億億次/秒，均大幅超過(guò)了橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)“泰坦”。這一數(shù)據(jù)也使得“天河二號(hào)”在今年6月17日公布的500強(qiáng)榜上登頂。

它能有多快 最大運(yùn)算能力5 .49億億次/秒

5.49億億次/秒，是一個(gè)大得已經(jīng)讓我們難以想象它到底有多大的數(shù)字，即使是“13億人同時(shí)用計(jì)算器計(jì)算1000年”這樣的比喻，也顯得有點(diǎn)抽象。

那么，如此巨大的超算是怎么建造的？這可不是“買(mǎi)回來(lái)一大堆CPU拼在一起”那么簡(jiǎn)單。就算家用機(jī)里僅有幾個(gè)核心的多核CPU，也要面對(duì)幾個(gè)核心之間如何分配任務(wù)的問(wèn)題，何況“天河二號(hào)”這個(gè)有著超過(guò)300萬(wàn)個(gè)核心的龐然巨物。

盧澤新說(shuō)，“天河二號(hào)”在多方面都取得了創(chuàng)新突破。“天河二號(hào)”采用了異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)，所謂“異構(gòu)”，就是說(shuō)每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)里都包含了CPU和計(jì)算加速器，用來(lái)提升計(jì)算效率。但是“天河二號(hào)”的異構(gòu)技術(shù)中使用了來(lái)自同一廠(chǎng)商的CPU和加速器，兩者在硬件層面來(lái)看雖是異構(gòu)，但卻采用了統(tǒng)一的、已經(jīng)為廣大用戶(hù)所熟悉和掌握的x86編程模型和應(yīng)用開(kāi)發(fā)及優(yōu)化工具，就像跨國(guó)公司位于兩個(gè)不同國(guó)家的部門(mén)，員工們卻講著同樣的語(yǔ)言，大家不存在溝通的障礙，合作起來(lái)的效率也就更高，而且他們的語(yǔ)言同時(shí)也是全球通用的語(yǔ)言，服務(wù)于外部客戶(hù)時(shí)同樣也不需要額外配置翻譯。這種異構(gòu)方式有別于過(guò)去的CPU+GPU模式，也被稱(chēng)為“微異構(gòu)”。

另一方面，要支持1.6萬(wàn)個(gè)這樣的計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作，就需要支持十億億次級(jí)系統(tǒng)的自主定制高速互連網(wǎng)絡(luò)，讓數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間快速傳送。在這一點(diǎn)上，“天河二號(hào)”也實(shí)現(xiàn)了突破。

此外，新型層次式加速存儲(chǔ)架構(gòu)、新型并行編程模型與框架、支持十億億次級(jí)系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)與故障管理和高密度高精度結(jié)構(gòu)工藝也都是“天河二號(hào)”的技術(shù)亮點(diǎn)。

值得一提的還有，“天河二號(hào)”使用了4096塊國(guó)防科大自主設(shè)計(jì)的CPU“FT-1500”。盧澤新介紹，單論運(yùn)算能力，F(xiàn)T-1500已經(jīng)和國(guó)際水平相當(dāng)，但由于相關(guān)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈還不是很完善，相關(guān)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件尚不完備。他也希望隨著廣州超算中心的投入使用，開(kāi)拓國(guó)產(chǎn)CPU的應(yīng)用范圍。

按照現(xiàn)有計(jì)劃，現(xiàn)有的5.49億億次/秒運(yùn)算能力并非“天河二號(hào)”的終點(diǎn)。到2015年底，“天河二號(hào)”的運(yùn)算能力將翻倍，達(dá)到約11億億次/秒。超算中心也為這次擴(kuò)充準(zhǔn)備好了機(jī)房。

“技術(shù)在進(jìn)步，芯片也會(huì)越來(lái)越好?！北R澤新說(shuō)，“所以第二個(gè)5.49億億次/秒會(huì)比第一個(gè)占地面積小，同時(shí)功耗也會(huì)更低。”

它能存多少 存儲(chǔ)空間1500萬(wàn)GB 相當(dāng)19個(gè)國(guó)家圖書(shū)館

盧澤新介紹，深入了解之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)廣州方面不但對(duì)高性能計(jì)算有著巨大的需求，同時(shí)也需要高流量的數(shù)據(jù)流以及海量的存儲(chǔ)空間，于是“天河二號(hào)”進(jìn)行了一些特別的改動(dòng)。

在常規(guī)的內(nèi)存和普通硬盤(pán)之外，“天河二號(hào)”增加了固態(tài)硬盤(pán)(SSD )。如果把計(jì)算機(jī)比做一間書(shū)房，那么內(nèi)存好比書(shū)桌，書(shū)放在書(shū)桌上，伸手可及，隨時(shí)可以閱讀，但只能放有限的幾本書(shū)；普通硬盤(pán)好比書(shū)架，要讀書(shū)架里的書(shū)就得走過(guò)去找，需要花更多時(shí)間，但書(shū)架的存儲(chǔ)量會(huì)比較大。固態(tài)硬盤(pán)的速度和容量介于內(nèi)存和普通硬盤(pán)之間，但成本較高。雖然目前越來(lái)越多的家用電腦已經(jīng)開(kāi)始配備固態(tài)硬盤(pán)，但“天河二號(hào)”這種體量的超級(jí)計(jì)算機(jī)使用固態(tài)硬盤(pán)，并不多見(jiàn)。

據(jù)美國(guó)媒體報(bào)道，下個(gè)月即將部署的美國(guó)新超級(jí)計(jì)算機(jī)“催化劑(C ata-lyst)”也將運(yùn)用這一技術(shù)，但規(guī)模比“天河二號(hào)”要小很多。

裝備上固態(tài)硬盤(pán)后，層次更豐富的存儲(chǔ)系統(tǒng)使得“天河二號(hào)”的讀寫(xiě)速度各自達(dá)到了80G /秒，比前代的“天河一號(hào)A”快了一倍。另外，為了存儲(chǔ)服務(wù)于智慧城市后的需要存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)，“天河二號(hào)”還額外配置了大量硬盤(pán)，總存儲(chǔ)空間有15P B(約1500萬(wàn)G B )，今年8月，國(guó)家圖書(shū)館的總數(shù)據(jù)量為0 .8P B，照此計(jì)算，“天河二號(hào)”的存儲(chǔ)空間相當(dāng)于近19個(gè)國(guó)家圖書(shū)館。

它有什么用 從預(yù)報(bào)天氣到核電站 從學(xué)校到生物島都能用

據(jù)了解，超算中心項(xiàng)目總投資逾23億。在超級(jí)計(jì)算機(jī)的建設(shè)中，民眾常見(jiàn)的疑問(wèn)是“弄這么大的計(jì)算機(jī)有什么用”。在作風(fēng)務(wù)實(shí)的廣州，這樣的問(wèn)題可能更加尖銳和直接。

杰克·唐加拉曾撰文指出，超級(jí)計(jì)算機(jī)最重要的作用就是模擬計(jì)算。超級(jí)計(jì)算機(jī)越快，我們就能進(jìn)行越精密和準(zhǔn)確的計(jì)算。也意味著科學(xué)家能得到更精確的研究結(jié)果，也意味著工程師能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品，大到飛機(jī)和輪船，小到藥品和服裝面料。

對(duì)此，廣州超算中心已經(jīng)提前做了準(zhǔn)備。今年5月30日，運(yùn)算能力峰值達(dá)340萬(wàn)億次/秒的超算中心先導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)在中山大學(xué)投入開(kāi)通。這個(gè)“迷你版”超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了“天河一號(hào)A”的技術(shù)架構(gòu)，用戶(hù)可以先在這里“練手”，等到“天河二號(hào)”正式開(kāi)通，只用進(jìn)行少量的適配工作，就可以把程序直接移植至“天河二號(hào)”。據(jù)來(lái)自超算中心的數(shù)據(jù)，目前已有來(lái)自約60家單位的113個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在先導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)程序，涵蓋了氣象、工業(yè)仿真、動(dòng)漫、生物、智慧城市、網(wǎng)絡(luò)安全、城市規(guī)劃和電子商務(wù)等領(lǐng)域。目前，先導(dǎo)系統(tǒng)利用率超過(guò)了85%。

最早進(jìn)入超算中心先導(dǎo)系統(tǒng)的單位之一、廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳子通向南都記者透露，他們已經(jīng)在數(shù)值預(yù)報(bào)精細(xì)化方面做了很多工作。目前，廣東的天氣數(shù)值預(yù)報(bào)使用的分辨率是18公里，步長(zhǎng)是200秒，也就是說(shuō)每324平方公里的面積，每200秒進(jìn)行一次計(jì)算。在超算中心先導(dǎo)系統(tǒng)上，分辨率和步長(zhǎng)分別提升到了3公里和60秒，計(jì)算的密度是原先的36倍，頻率超過(guò)原來(lái)的3倍，總的運(yùn)算量一下子就增加了超過(guò)1 0 0倍———這還沒(méi)有把網(wǎng)格劃細(xì)之后帶來(lái)的復(fù)雜地形、建筑物等影響考慮在內(nèi)。

陳子通還表示，隨著“天河二號(hào)”的正式投入運(yùn)營(yíng)，氣象部門(mén)也將利用超級(jí)計(jì)算機(jī)，研發(fā)出更加精細(xì)的數(shù)值預(yù)報(bào)模型。

那么，運(yùn)算能力是不是真的需要11億億次/秒這么多？盧澤新坦承“這還不好說(shuō)”。超級(jí)計(jì)算機(jī)的建設(shè)有一定前瞻性，11億億次/秒有可能不能完全利用，也有可能供不應(yīng)求。南都記者查閱公開(kāi)報(bào)道發(fā)現(xiàn)，“天河一號(hào)A”被部署到天津超算中心僅三年，平均利用率已經(jīng)可以穩(wěn)定在70%左右?！疤旌佣?hào)”還承載著核電站模擬、石油勘探、海洋開(kāi)發(fā)、大飛機(jī)研制等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，利用率能否趕上“大哥”，值得期待。

剛剛出臺(tái)的《中央關(guān)于全面深化改革若干重大問(wèn)題的決定》中，關(guān)于深化科技體制改革的部分提到，國(guó)家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施依照規(guī)定應(yīng)該開(kāi)放的一律對(duì)社會(huì)開(kāi)放。實(shí)際上，在決定公開(kāi)前，廣州超算中心就已經(jīng)準(zhǔn)備這么做。

“我們的用戶(hù)主要是三大類(lèi)?！北R澤新說(shuō)。“第一類(lèi)是政府。政府采用購(gòu)買(mǎi)服務(wù)的方式，進(jìn)行智慧城市等專(zhuān)屬性應(yīng)用。第二類(lèi)是扶持性的公益應(yīng)用?？蒲袉挝弧W(xué)校、中小企業(yè)都可以以?xún)?yōu)惠的價(jià)格使用超算。第三類(lèi)是開(kāi)放性的商業(yè)應(yīng)用，面向全社會(huì)開(kāi)放。與超算中心近在咫尺的生物島，就有很好的應(yīng)用潛力?！?/p>

經(jīng)歷了35年改革開(kāi)放，廣州正在面臨從傳統(tǒng)的勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)向創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，超算中心的建設(shè)正是轉(zhuǎn)型的一個(gè)具體行動(dòng)。廣州超算中心希望和廣州本土的大企業(yè)攜手，共同打造一些公共服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的集約化利用，通過(guò)這樣的平臺(tái)輻射中小型和創(chuàng)業(yè)型公司以及科研團(tuán)隊(duì)。

盧澤新補(bǔ)充說(shuō)，能耗相較前代，“天河二號(hào)”的能耗有了顯著下降——它的運(yùn)算能力是“天河一號(hào)A”的11.6倍，但耗電量?jī)H為后者的4倍。“低能耗意味著價(jià)格更低，歡迎大家前來(lái)使用?！?/p>

解密巨無(wú)霸“豪宅”：五層大樓加地下室水電網(wǎng)絡(luò)都有備份

談及廣州超算中心這個(gè)“一號(hào)工程”的建設(shè)進(jìn)度，盧澤新用了“有點(diǎn)驚人”來(lái)形容。超過(guò)3.2萬(wàn)平方米的五層大樓加上1萬(wàn)平方米的地下面積，在廣州市重點(diǎn)辦的全力沖刺下，只用了不到一年就告完成。

而“天河二號(hào)”的這個(gè)“新家”可不僅僅是大而已。超算不能承受斷電斷水?dāng)嗑W(wǎng)等意外，后勤保障必須有“B計(jì)劃”。以電力為例，供電部門(mén)為超算中心準(zhǔn)備了兩路專(zhuān)線(xiàn)，可承擔(dān)6萬(wàn)千瓦的功率，光變壓器就有26個(gè)。另外還特別配建了一個(gè)靜態(tài)投資1.9億元的分布式能源站。這個(gè)能源站配置了由4臺(tái)4300千瓦的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組組成的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，即使出現(xiàn)意外，兩路專(zhuān)線(xiàn)同時(shí)停電，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)也可以維持超算中心的重要負(fù)荷持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱還可以被再次利用，用于超算中心的冷卻系統(tǒng)。與之類(lèi)似，超算中心在供水和網(wǎng)絡(luò)上都至少準(zhǔn)備了兩路專(zhuān)線(xiàn)。

超算中心同時(shí)也考慮了“省錢(qián)”。盧澤新介紹，“天河二號(hào)”的冷卻系統(tǒng)也創(chuàng)新性地使用了水冷。夜間的電費(fèi)較低，冷卻系統(tǒng)可以在夜間多制冰，等到白天再用來(lái)冷卻機(jī)房，通過(guò)這個(gè)時(shí)間差，冷卻系統(tǒng)的電費(fèi)就降低了。

“天河二號(hào)”問(wèn)世錄

●2011年11月25日，廣東省政府、廣州市政府、國(guó)防科技大學(xué)、中山大學(xué)在廣州簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，促成了“天河二號(hào)”的問(wèn)世。

●2013年5月底，“天河二號(hào)”接受測(cè)試。

●2013年9月底，“天河二號(hào)”運(yùn)到廣州。

●預(yù)計(jì)2013年年底前，“天河二號(hào)”完成調(diào)試并試運(yùn)行。