天河二號超級計算機系統(tǒng)

2010年11月16日，中國天河一號在世界超級計算機500強中位居第一。然而，僅在8個月之后，日本、美國的超級計算機就將天河一號“擠下擂臺”。2013年6月17日，第41屆世界超級計算機500強排名榜發(fā)布，天河二號以峰值每秒5.49億億次再次成為運算速度最快的超級計算機。

6月17日下午，湖南長沙，國防科技大學(xué)計算機學(xué)院天河樓一層。一個占地約720平方米的“黑色巨人”——天河二號超級計算機，正如往常一樣安靜地進行著它的運算任務(wù)。黑色面板上無數(shù)束藍色燈光隨著計算機的運行跳躍閃爍，遠遠望去就像是深邃太空中璀璨的銀河一般。

與此同時，正在德國東部城市萊比錫召開的2013國際超級計算大會上，這位“黑色巨人”卻吸引了來自全世界的目光。

當(dāng)天，世界超級計算機TOP500組織正式發(fā)布第41屆世界超級計算機500強排名榜，國防科技大學(xué)研制的天河二號超級計算機，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能，成為當(dāng)今世界運算速度最快、綜合技術(shù)領(lǐng)先的超級計算機。這也是繼天河一號之后，中國超級計算機再次奪回世界第一的桂冠。

從一匹黑馬到世界引領(lǐng)者

時光回溯到2010年11月16日，國防科技大學(xué)研制的天河一號在世界超級計算機500強中位居第一，中國人首次站到了超級計算機世界冠軍的領(lǐng)獎臺上。

然而，8個月以后，日本一臺名為“京”的超級計算機就將天河一號擠下冠軍臺。之后，美國研制的“紅杉”、“泰坦”超級計算機先后坐上世界第一的交椅，天河一號排名滑落至第8名。

國外媒體的各種質(zhì)疑紛至沓來：“天河一號只是一匹黑馬”、“中國的超算技術(shù)在世界領(lǐng)先只是曇花一現(xiàn)”。

面對來自世界超級計算機界的殘酷競爭，2011年12月，國防科技大學(xué)的天河團隊開始對新一代超級計算機的關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)。這一次，他們的目標(biāo)是億億次級超級計算機，也就是說，計算能力要比天河一號提升10倍以上。

現(xiàn)在，橫空出世的天河二號不僅遠遠超過了天河一號，與上一屆世界冠軍美國“泰坦”超級計算機相比也是遙遙領(lǐng)先。天河二號計算速度是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，體積卻比它小了15%。

而天河二號的創(chuàng)新突破點，正是從天河一號的優(yōu)勢與不足開始的，“這是一個自我反省、自我超越的過程?！碧旌佣柟こ谈笨傊笓]李楠研究員對《中國科學(xué)報》記者說。

世界TOP500組織專家、美國田納西大學(xué)教授杰克·唐加拉對天河二號的評價是：“中國元素、中國技術(shù)越來越多。”不僅如此，天河二號的體系設(shè)計已經(jīng)成為超級機算機的一支重要流派，引領(lǐng)了世界超級計算機發(fā)展的潮流。

應(yīng)用需求驅(qū)動的技術(shù)創(chuàng)新

體系結(jié)構(gòu)是高性能計算機的“筋骨”。在天河一號研制中，國防科大研究人員在國際上首創(chuàng)了CPU＋GPU的異構(gòu)融合計算體系結(jié)構(gòu)?！斑@種結(jié)構(gòu)最大的好處就是實現(xiàn)了超級計算機的低成本、低能耗、高性能?！崩铋f，“但是在天河一號投入應(yīng)用時，GPU的兼容性不強也給用戶帶來了一個小小的難題。”

天河一號所在的國家超算天津中心負責(zé)人、天河二號副總設(shè)計師朱小謙研究員對此深有感觸：“天河一號為國內(nèi)外600多家用戶提供了超級計算服務(wù)，但是有些客戶的軟件與它不兼容，需要花相當(dāng)一段時間對相關(guān)人員進行培訓(xùn)，學(xué)習(xí)編程?！?/P>

天河二號團隊設(shè)計出的“異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”不僅繼承了一號CPU結(jié)合加速器的傳統(tǒng)，又增加了兼容性，實現(xiàn)了與客戶軟件的“無縫對接”。李楠解釋說：“這就意味著，所有在英特爾芯片上使用的軟件都能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程?！?/P>

“與美國、日本的超級計算機主要解決科學(xué)工程計算問題不同，在中國超級計算機是一個公共應(yīng)用平臺，不僅被用來解決科學(xué)研究的問題，還關(guān)系國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展。”天河二號工程總指揮、總設(shè)計師廖湘科研究員說，“天河二號主要應(yīng)用于大科學(xué)、大工程以及產(chǎn)業(yè)升級和信息化建設(shè)領(lǐng)域。這就要求天河二號有更為高效的大數(shù)據(jù)處理能力、更高的吞吐率以及更高級別的信息安全服務(wù)?！?/P>

事實上，天河二號的幾大領(lǐng)先國際的創(chuàng)新亮點：異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)、微異構(gòu)計算陣列、高速互連以及新一代高性能通用CPU飛騰-1500都是在應(yīng)用需求牽引下的技術(shù)創(chuàng)新。

“我們不僅要研制世界性能最高的超級計算機，而且要研制穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的超級計算機，這是我們始終追求的目標(biāo)。”朱小謙說。

科學(xué)“神器”離我們生活并不遙遠

據(jù)《中國科學(xué)報》記者了解，作為廣州超級計算中心的主機，天河二號今年下半年將在廣州安家。屆時，天河二號將為生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計與仿真分析、天氣預(yù)報、氣候模擬與海洋環(huán)境研究、數(shù)字媒體和動漫設(shè)計、智慧城市、電子商務(wù)、云計算和大數(shù)據(jù)分析等多個領(lǐng)域提供高效服務(wù)。以基因分析為例，華大基因利用自有計算機系統(tǒng)需要一年才能做出的500人規(guī)模全基因組信息關(guān)聯(lián)性分析，在天河二號上只需3個小時就能完成。

龐然大物、神秘高深，這或許是大眾對超級計算機的印象。然而，在李楠的眼中，超級計算機不僅僅是科學(xué)家探知未知世界與預(yù)知未來的魔法工具，更是與我們生活息息相關(guān)的“神器”。

“色彩絢麗、功能強大的納米材料服裝，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、更加營養(yǎng)的糧食，城市智能交通管理，以及許多大家以前只能在科幻電影里看到的智慧城市場景，在天河二號的幫助下這些夢想都能實現(xiàn)?！崩铋f。 （記者 鐘華 通訊員 王握文 蔣自成）