國(guó)之重器 超級(jí)大腦

侯立順

2015年1月9日，北京，人民大會(huì)堂 ，“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)獲2014年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)，這是一個(gè)歷史性的時(shí)刻。從1983年中國(guó)科學(xué)家研制成功“銀河”第一代巨型計(jì)算機(jī)開(kāi)始，歷經(jīng)數(shù)代中國(guó)科學(xué)家的艱苦探索，2010年，我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”，勇奪國(guó)際TOP500排名第一。“天河一號(hào)”可以在1秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)2 570萬(wàn)億次運(yùn)算，而普通的商用計(jì)算機(jī)峰值為每秒10億次運(yùn)算。中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)終于沖上世界之巔，“天河一號(hào)”也被譽(yù)為“國(guó)之重器”。

玻璃房子的故事

20世紀(jì)80年代，中國(guó)氣象部門(mén)想從歐美進(jìn)口一臺(tái)計(jì)算機(jī)，美國(guó)克雷公司起初死活不肯賣(mài)。后來(lái)好不容易成交了，卻將計(jì)算機(jī)封在玻璃機(jī)房里，并在計(jì)算機(jī)機(jī)房安裝監(jiān)視儀器，機(jī)器也要由他們自己人使用監(jiān)控，不許中國(guó)科技人員進(jìn)去。這段真實(shí)的歷史，是中國(guó)科研工作者心中永遠(yuǎn)的痛。

2014年11月18日，由確定超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的歐美專(zhuān)家組成的“國(guó)際TOP500組織”公布了最新排行榜。根據(jù)軟件測(cè)試，中國(guó)的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度達(dá)到了每秒33.86千萬(wàn)億次，連續(xù)四次成為世界第一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。相比此前排名世界第一的美國(guó)克雷公司“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)，“天河二號(hào)”計(jì)算速度是“泰坦”的2倍，計(jì)算密度是“泰坦”的2.5倍。與“天河一號(hào)”相比，“天河二號(hào)”計(jì)算性能和計(jì)算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，耗電量只有“天河一號(hào)”的1/3。“天河二號(hào)”運(yùn)算1小時(shí)，相當(dāng)于13億人同時(shí)用計(jì)算器計(jì)算1 000年，其存儲(chǔ)總?cè)萘肯喈?dāng)于存儲(chǔ)每?jī)?cè)10萬(wàn)字的圖書(shū)600億冊(cè)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)什么樣？

一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)由安放在巨大空調(diào)機(jī)房中的數(shù)十個(gè)機(jī)柜組成。機(jī)柜里，數(shù)以百計(jì)的服務(wù)器和成千上萬(wàn)的芯片彼此相聯(lián)，終日轟鳴，需要多位技術(shù)人員維護(hù)其運(yùn)行。超級(jí)計(jì)算機(jī)所用的處理器和最快的個(gè)人電腦并無(wú)二致，但數(shù)量卻以萬(wàn)計(jì)，以并行運(yùn)算的方式分擔(dān)著計(jì)算任務(wù)。工程師們還對(duì)一般用于游戲機(jī)的圖像處理器加以利用，從而能夠以相對(duì)較低的能耗大大加快運(yùn)算速度。中國(guó)的“天河一號(hào)”裝有7 000塊圖形處理芯片和1.4萬(wàn)個(gè)英特爾處理器。

專(zhuān)家預(yù)測(cè)，10年后，計(jì)算機(jī)的速度將比現(xiàn)在快上1 000倍，速度單位將升級(jí)為“百億億次/秒”。不過(guò)為了加快運(yùn)算速度，就必須使用更多的處理器。超級(jí)計(jì)算機(jī)是個(gè)耗能大戶(hù)，每一臺(tái)的功率趕得上一個(gè)火車(chē)頭！若將運(yùn)算速度提高到“百億億次/秒”的級(jí)別，超級(jí)計(jì)算機(jī)功率就要提高1 000倍，它們將不得不建在發(fā)電廠旁邊才能維持電力供給！因此，目前研究主要是減少處理器的電力消耗，如對(duì)處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化。另一個(gè)目標(biāo)則是開(kāi)發(fā)新的編程語(yǔ)言來(lái)“協(xié)調(diào)”數(shù)十萬(wàn)處理器之間的工作并預(yù)防故障的發(fā)生。

為什么需要超速運(yùn)算？

當(dāng)情況過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)即可大顯身手。超級(jí)計(jì)算機(jī)可對(duì)地震、探礦、飛機(jī)穿過(guò)氣流或藥物作用于細(xì)胞等各種現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)字化分析。

最早借助超級(jí)計(jì)算機(jī)的是氣象學(xué)家，他們得以進(jìn)行更為周密的運(yùn)算，并對(duì)氣候變化做出預(yù)測(cè)。這些功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)分析來(lái)自衛(wèi)星的信息，將它們與數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。鑒于現(xiàn)在氣候研究以全球?yàn)榭剂浚栽絹?lái)越需要先進(jìn)的運(yùn)算工具，來(lái)分析諸如風(fēng)和溫度的變化，地形、土壤濕度、洋流路線(xiàn)或大氣污染物排放等紛繁復(fù)雜的信息。

當(dāng)然，超級(jí)計(jì)算機(jī)也被用于其他戰(zhàn)略性領(lǐng)域。如在石油開(kāi)采中，通過(guò)分析超聲波回聲探測(cè)所取得的數(shù)據(jù)，利用數(shù)字模擬可以增加找到礦脈的機(jī)會(huì)。而在航空工業(yè)里，計(jì)算機(jī)建模大大減少了在找到最佳空氣動(dòng)力學(xué)方案之前所要建造的機(jī)翼模型數(shù)量。從天體物理學(xué)到醫(yī)學(xué)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍無(wú)限廣闊，模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為洋流、核爆炸、地震活動(dòng)或雪崩建模，模擬宇宙的形成……幾乎所有科學(xué)研究領(lǐng)域都需要超級(jí)計(jì)算機(jī)。

我國(guó)為何投身超級(jí)計(jì)算機(jī)？

如果缺少這一科學(xué)疆場(chǎng)上必不可少的“打擊力量”，就無(wú)法真正成為強(qiáng)國(guó)。中國(guó)經(jīng)濟(jì)總量在2010年超過(guò)了日本，成為僅次于美國(guó)的世界第二大經(jīng)濟(jì)體。這個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)以低成本加工業(yè)著稱(chēng)的“世界工廠”，現(xiàn)在已進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。為了迎頭趕上，中國(guó)投入巨資，對(duì)工業(yè)體系進(jìn)行改造，一方面以滿(mǎn)足國(guó)民富裕后的消費(fèi)需求，另一方面旨在掌握戰(zhàn)略性裝備（如軍用飛機(jī)或衛(wèi)星）的建造技術(shù)。在這新一輪的創(chuàng)新大戰(zhàn)中，高性能的計(jì)算工具無(wú)疑是一件珍貴的武器。

超級(jí)計(jì)算機(jī)除用于模擬演算地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，還將運(yùn)用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車(chē)及飛機(jī)的研發(fā)等工作。對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的要求似乎永無(wú)止境，因?yàn)槿藗兛偸窍胍愿斓乃俣饶M復(fù)雜現(xiàn)象。事實(shí)上，一個(gè)國(guó)家擁有的超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)量和性能如今甚至成為衡量其經(jīng)濟(jì)實(shí)力的一項(xiàng)指標(biāo)。各國(guó)研究機(jī)構(gòu)近十幾年所裝備的超級(jí)計(jì)算機(jī)，速度最快的可以在一天內(nèi)完成普通商用計(jì)算機(jī)需要300年才能完成的任務(wù)！

中學(xué)生能為超速運(yùn)算做些什么？

超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要障礙在于成本過(guò)高，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)由許多機(jī)組構(gòu)成，僅僅一個(gè)制作機(jī)組就需要花費(fèi)數(shù)千歐元，而運(yùn)行后的電力和后期維護(hù)會(huì)進(jìn)一步增加費(fèi)用。工程師們也曾試驗(yàn)過(guò)其他更為經(jīng)濟(jì)節(jié)約的方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或稱(chēng)為網(wǎng)格計(jì)算被證明是可行的解決之道。采用聯(lián)網(wǎng)個(gè)人電腦進(jìn)行的網(wǎng)格計(jì)算有時(shí)能成功替代超級(jí)計(jì)算機(jī)完成任務(wù)。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校十幾年來(lái)使用數(shù)以百萬(wàn)計(jì)接入互聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人電腦，搜索外星生命跡象，這就是著名的Seti@home項(xiàng)目（在家搜尋外星智慧，是一個(gè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)利用家用個(gè)人計(jì)算機(jī)處理天文數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算項(xiàng)目。該項(xiàng)目試圖通過(guò)分析阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡采集的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，搜尋能夠證實(shí)外星智能生物存在的證據(jù)）。該項(xiàng)目數(shù)據(jù)基數(shù)很大，超過(guò)了千萬(wàn)位數(shù)，是目前世界上最大的分布式計(jì)算項(xiàng)目，已有160多萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)加入了此項(xiàng)目，而中國(guó)大約有超過(guò)2萬(wàn)名志愿者參與其中。其實(shí)，只要你的電腦有閑置的時(shí)間并且接入網(wǎng)絡(luò)，就可以幫助他們尋找外星人、探索生命奧秘，只需要你安裝美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的分布式計(jì)算軟件：BONIC官方下載地址：http：//boinc.berkeley.edu/ download.php

如果計(jì)算機(jī)配備了NVIDIA的顯卡，你可以通過(guò)顯卡來(lái)計(jì)算：http：//boinc.berkeley.edu/ wiki/GPU_computing.

此外，還有一種替代方案也在研究之中，那就是使用儲(chǔ)存互聯(lián)網(wǎng)高性能服務(wù)器。淘寶、亞馬孫等網(wǎng)站的大型服務(wù)器往往沒(méi)有被充分利用，或可用來(lái)完成大量高強(qiáng)度運(yùn)算，并在某些沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的企業(yè)有需求的時(shí)候開(kāi)放數(shù)字模擬服務(wù)。