撕開突破口

CPU+GPU異構融合體系結構，形象地說，就是把眾多CPU、GPU有機地連成一枚“捆綁式火箭”（CPU相當于主改動機、GPU相當于助推改動機）。

這一技術路線的最大創新，就是將用于圖像處理的GPU運用于高性能計算，最大的挑戰就是實現GPU高效能計算。它成為阻擋每秒千萬億次超級計算機戰役進展的第一個“堡壘”。

2008年底，以楊學軍為總設計師的總師組，把撕開“突破口”的重任交給楊燦群和他帶領的突擊隊。

經過10余年科研實踐歷練的楊燦群，對于自己的工作有個非常精妙的比喻：“搞工程技術，就像猜謎語。謎底出來了，大家恍然大悟：‘原來并不深奧，可在此之前，你的眼前卻是一片云山霧海，你不知道目標在哪里，甚至不知道該朝哪個方向尋找，可以說兩眼迷茫。”

GPU的科學計算問題便是這樣一道謎語。

當時，市場上宣稱有通用計算能力的GPU有兩種，分別由NVIDIA與AMD生產，每種GPU都有多個型號。單獨的GPU只是一顆芯片，需要和配套的存儲器及外圍電路構成顯卡才能使用，生產此類顯卡的廠商有好幾家，市場上可購買的計算顯卡就有近20種。這林林總總的顯卡中，哪款能滿足科學計算要求？楊燦群和突擊隊員兩眼一抹黑。

為從這眾多顯卡中找到雙精度浮點計算性能高、系統兼容性好、運行穩定的顯卡，楊燦群帶領突擊隊從2009年初開始夜以繼日地進行大海撈針般的篩選工作。

春節前一周，他們把一種顯卡安裝到一款主機板上測試，但軟件系統安裝完成后，系統無法啟動。他們首先懷疑是硬件問題，但硬件技術人員堅稱該主板質量非常過硬。他們便從軟件找原因，但嘗試不同版本操作系統和顯卡驅動后，問題依然如故。為了找到問題癥結，他們在春節期間加班加點。大年初四那天，他們不經意間在主板上發現有個模糊標識，稱該主板有啟動異常故障，維修后也沒有確認故障是否徹底解決，弄得大家哭笑不得。

還有一種顯卡含兩個GPU芯片，其驅動程序要求接上兩個顯示器才能讓兩個GPU同時工作，這顯然不能滿足科學計算的要求，因為不可能在一臺計算機里安裝一大堆顯示器。他們通過查閱資料發現，可在顯卡輸出接上電阻來模擬顯示器。為找到這種電阻，他們從塵封了上十年的器件柜中找出了幾個滿足要求的插裝電阻，解決了測試問題。

……

兩個月間，他們不知經歷了多少這樣的曲曲折折，才完成了近20款GPU的安裝、測試，終于找到了滿足計算條件的GPU。

中國有一句諺語：“一個和尚挑水喝，兩個和尚抬水喝，三個和尚沒水喝。”

CPU+GPU異構融合體系結構，把數千個CPU、數千個GPU組合在一個“大廟”，它們還能賣力“挑水”嗎？

2009年3月，他們把CPU、GPU這兩類“和尚”組合起來，利用GPU加速應用程序進行評測，竟發現總性能還不到每秒600億次，而一顆CPU就有近每秒500億次的性能。也就是說GPU這個“和尚”，雖然用于圖像處理，速度驚人，但讓它與CPU放在一塊用于科學計算，就變得非常懶惰，計算效能只有20%左右。

面對這樣的測試結果，大家心里涼了半截。須知，憑著GPU這等工作效率要造出每秒千萬億次超級計算機，豈不是天方夜譚？難道真如外國專家斷定的，GPU根本不能用于科學計算機嗎？

總設計師楊學軍得到報告后，在第一時間趕到實驗室。聽完情況匯報后，他向身邊的妻子招招手：“玉華，你去把車開來，帶我出去轉轉。”

這是他的工作習慣，每凡科研遇到難題時，就讓妻子開車帶他去兜風。

“雪弗萊”駛出市區，奔馳在二環高速公路上。楊學軍仰靠著座背，微閉著眼睛，讓思緒隨著從車旁呼嘯而過的春風、撲面而來又疾速閃去的盎然春景，在科學的天地的盤旋……

“雪弗萊”駛出高速收費站時，楊學軍掏出手機，撥通了楊燦群的號碼，堅定地說：“別人不敢走的路，并不等于走不通。從技術原理分析，GPU的計算性能，通過軟件優化，是可以大幅提高的……”

學校召開每秒千萬億次超級計算機工程攻堅動員大會。學校、學院黨委向大家發出號召：“勇敢地擔當起國家和民族沖擊世界超級計算機科技高峰的歷史重任，在年底前堅決完成每秒千萬億次計算機攻關任務，讓銀河的凱歌在神州大地上奏響，讓銀河的光彩再一次閃亮寰球！”

關鍵時刻，經學校黨委推薦、中央軍委主席胡錦濤任命廖湘科為計算機學院院長，同時兼任每秒千萬億次超級計算機工程總指揮和常務副總師。

挫折面前，楊學軍總師、廖湘科總指揮一商量，竟作出這樣一個超常決策：把完成研制任務的時間節點，由原計劃2010年底提前一年，即在2009年底前推出中國第一臺每秒千萬億次超級計算機。

決定一宣布，把一些人的眼睛驚得圓圓的：“關鍵技術尚未突破，還提前一年完成任務，能行嗎？”

可新一代銀河人對自己充滿自信：“當年研制‘銀河—Ⅰ時，困難還不大嗎？可前輩們頑強拼搏，愣是提前一年完成任務。還有‘銀河—Ⅲ，原計劃用五年，大家齊心協力，爭分奪秒，僅用三年就實現了每秒10億次到每秒100億次的大跨越。前輩們能做到的，我們也一定能做到！”

在楊學軍、廖湘科率領下，國防科技大學超級計算機創新團隊，拉開了每秒千萬億次超級計算機戰役總攻的序幕。

長沙北郊的湘江之畔，有一片群山環抱的洼地，山上草木郁郁蔥蔥，山下坐落著一棟三層小樓。這是長沙市抗洪指揮部所在地。由于汛期未至，這里鳥兒啁啾，人跡稀少，煞是幽靜。

楊燦群和他的突擊隊，把這里當作攻堅的戰場。他們整天貓在小樓里，心里只想一件事，就是想方設法調動GPU這群“和尚”的積極性，讓他們多“挑水”，爭取“1+1”盡量接近“2”。眼睛也只盯著一個地方——顯示屏，從那些不停滾動的浩如煙海的數據中，尋找一個個稍縱即逝的靈感，捕捉一次次優化GPU計算效能的機遇，然后對計算程序進行一遍又一遍的修改。

那周，楊燦群與伙伴們和往常一樣，從早上7點盯到午夜，從周一盯到周五，竟然沒有發現一次戰機，沒有取得任何戰果。

連續鏖戰數日，早已筋疲力盡的楊燦群，躺在床上輾轉反側，難以入眠。他于心不甘。往常從周一到周五，都能找到性能優化突破口，可在周末時間研究優化方法。那些數據猶如一群蜜蜂，在眼前不停地竄來竄去。閉上眼睛，滿腦子還是那些波濤般滾動的數據。

突然，他隱隱覺得眼簾上滾動的一些數據低于設計目標。他一骨碌從床上爬起來，從家里跑到辦公室，打開與服務器相連的筆記本電腦，進入試驗數據庫，果然發現GPU一部分計算資源沒有用起來。興奮難抑的楊燦群，立刻著手程序優化，GPU計算性能又一次提升。當他改完程序起身打開房門時，只見太陽早已爬上山頂，露出了燦爛的笑臉，小鳥在樹林里歡快舞蹈、清脆鳴唱。

類似這樣的優化改進，他們在兩個月里進行了一萬多次，終于把GPU計算效能提升到58%。

這充分驗證CPU+GPU異構融合技術是科學可行的！

楊燦群帶領突擊隊乘勝擴大戰果，不分晝夜反復測試、研討、改進。雖然每一次提升都如同滴水般微小，但把它們匯集起來，就能創造科學奇跡。在連續奮戰四個月，先后改進優化8萬余次之后GPU計算效能躍升至70%以上，達到世界最高水平！