楊廣文：用超級計算機為科研提供助力

盧茹彩

“作為第一臺完全使用國產處理器的超級計算機，‘神威·太湖之光展現了中國在設計和制造高性能計算機領域取得的成就，跟美國和日本等發(fā)達國家比較，我們的研制水平已經進入世界領先行列。”

2016年6月20日，在德國法蘭克福2016國際超級計算機大會上，國際TOP500組織發(fā)布了最新的全球超級計算機排名榜單，中國的“神威·太湖之光”榮登全球最快的超級計算機排行榜TOP500榜首。

這是中國的超級計算機連續(xù)第七次登上這一排行的榜首，2015年排名第一的“天河二號”今年退居第二位。“作為第一臺完全使用國產處理器的超級計算機，‘神威·太湖之光展現了中國在設計和制造高性能計算機領域取得的成就，跟美國和日本等發(fā)達國家比較，我們的研制水平已經進入世界領先行列。”在接受記者采訪時，清華大學計算機系教授、國家超級計算無錫中心主任楊廣文說。

國家戰(zhàn)略

“神威·太湖之光”在6月份發(fā)布之前，任何人都不允許參觀位于國家超級計算無錫中心的機房重地。不過在記者采訪時，這個禁令已經解除。跟隨楊廣文教授通過一道道需要刷指紋進入的大門，記者穿上印有“神威”和國家超級計算無錫中心字樣的工作服，對這套世界上運算能力最強的超級計算機系統(tǒng)有了一個直觀的認知。

出生于1963年的楊廣文從外表看就是個典型的學者形象：瘦削，但帶著科技工作者的自信。他說，自己雖然從1994年就開始接觸超級計算，但真正“進入狀態(tài)”與超級計算結下不解之緣，要從2002年進入國家“863計劃”（“高技術研究發(fā)展計劃”，旨在提高中國自主創(chuàng)新能力、以前沿技術研究發(fā)展為重點，因啟動于1986年3月而得名）專家行列開始。

1983年，隨著中國第一臺每秒鐘運算1億次以上的“銀河一號”研究成功，中國才真正開始跨入超算領域，但距離發(fā)達國家的差距巨大。2009年，國防科技大學在“天河一號”基礎上推出了擁有每秒4700萬億次的峰值性能及每秒2570萬億次LINPACK實測值的“天河一號A”，榮登了第36屆全球HPC TOP500第一名寶座，實現了歷史性的突破。此后，“天河二號”六次蟬聯世界第一，直到被“神威·太湖之光”取代。

“雖說‘神威·太湖之光的研發(fā)只用了兩年的時間，但這是建立在中國之前在超算領域多年的積累基礎上的。”楊廣文說，“‘神威·太湖之光最大的亮點就是自主可控，從芯片制造到軟件研制及應用研發(fā)等，都是我們國家自主研發(fā)的技術。而且，它的能耗非常低。”

作為世界上首臺峰值計算速度超過10億億次的超級計算機，“神威·太湖之光”的峰值計算速度達每秒12.54億億次，持續(xù)計算速度每秒9.3億億次（是“天河二號”的近3倍），每瓦特提供的計算性能是6.051G浮點結果（也就是說，性能功耗比為每瓦60.51億次）。“這聽起來沒什么感覺，但是跟美國和日本最好的系統(tǒng)來比，美國大概是2G，日本的是1G，我們的能耗比提升了3倍。”清華大學地球科學中心副教授、國家超級計算無錫中心副主任付昊桓解釋說。作為前往德國參加超算大會并進行發(fā)布的中方負責人，付昊桓說：“神威的整個系統(tǒng)由4萬塊芯片構成，每個芯片有260個核，整個系統(tǒng)超過1000萬個核，本身在一個系統(tǒng)工作就是一個創(chuàng)舉，而且能耗比又有這么大的提升，在場的美、日等國專家也非常受震撼。”

付昊桓說，“神威·太湖之光”整套系統(tǒng)投入18億元人民幣，“這聽起來很多，但實際上，國外專家認為，能花這么少的錢造出這樣的一套系統(tǒng)，對他們來說是一個很大的沖擊”。

“超級計算機作為國家的戰(zhàn)略高技術，不管是否賺錢，是作為國家戰(zhàn)略來做的。”楊廣文說，自“863計劃”啟動以來，國家這么多年持續(xù)支持高性能計算機的研發(fā)，這在科研項目中并不多見。“我認為，一是為打破國際封鎖，以前我們買回來的機器有固定用途，美國人要看著我們用，這個對我們國家來說是挺‘打臉的。”

2015年，采用美國英特爾芯片的“天河二號”遭到美國禁運，因不能在原系統(tǒng)上擴展，不得不改變了原有的研發(fā)路線。而跟“天河二號”同期規(guī)劃立項的“神威·太湖之光”一開始就設計走自主研發(fā)的路子。“我們建設創(chuàng)新型國家，特別提倡自主技術，在超算這個領域國家早有布局，支持走不同的發(fā)展路線。”楊廣文說，“由于布局早，我們也正好起到打破美國技術壁壘的作用。”

2016年7月15日，吉尼斯世界紀錄正式宣布“神威·太湖之光”為世界上“運算速度最快的計算機”。吉尼斯世界紀錄大中華區(qū)總裁羅文在向楊廣文頒發(fā)吉尼斯世界紀錄認證書時表示：“這一紀錄代表著中國在超級計算機領域的歷史性突破。”

楊廣文說，目前，中國對超算的需求非常大。在清華大學，他負責管理學校的一臺超算，35個院系200多個科技組都在用這臺機器，每年支持上百篇一流的論文發(fā)表。因此他認為，國防安全、航空航天、天氣氣候、工業(yè)制造、新藥創(chuàng)制等各領域對高性能計算的需求越來越旺盛，這也是中國加大投入做超算研究的原因之一。

致力應用

2010年底從美國斯坦福大學回到清華任教的付昊桓清晰地記得，當時，中國的超級計算機“天河一號A”剛剛摘得世界第一的桂冠。“我們清華一位研究氣候的老師作為用戶去觀禮，機器發(fā)布后，馬上有美國的同行問，你們的機器是拿了世界第一，那么應用呢？這么一臺機器你們中國人是否能用起來？”付昊桓說，“這表達了對中國超算的質疑，包括CPU和芯片都是美國引進的，更多體現的是集成能力，而能否推動應用、解決科學的問題才是超算更應該關注的。”

也正是基于應用的考慮，楊廣文說，國家超級計算無錫中心從系統(tǒng)原型研制開始，就一直堅持機器測試與應用開發(fā)同步進行。因此系統(tǒng)從2015年12月開始試運行以來半年多時間，已經有天氣氣候、航空航天、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、船舶工程、新材料和先進制造等19個應用領域的科研工作者在這套系統(tǒng)上取得了60多項應用成果。其中，由中科院軟件所、清華大學和北京師范大學申報的“全球大氣非靜力云分辨模擬”課題，由國家海洋局海洋一所和清華大學申報的“全球高分辨率海浪數值模式”課題，由中科院網絡中心申報的“鈦合金微結構演化相場模擬”課題分別入圍了2016年的“戈登貝爾獎”。

“戈登貝爾獎”是世界高性能計算應用領域的最高獎，設立于1987年。付昊桓說，在最開始的近20年中，只有美國的科研團隊拿到這個獎項，直到日本在2002年推出的“地球模擬器”打破了這一紀錄。一直到今天，這個獎項一直被美、日以及少量歐洲的科研機構包攬。“中國在此之前從來沒有入圍過，即便‘天河二號連續(xù)三年六次世界第一，但是也從來沒有中國科研團隊的應用課題入圍。”付昊桓說，“而今年，全世界共有六個課題入圍，來自中國的就有三個，都是中國的團隊在‘神威·太湖之光上做的應用。”付昊桓說，這讓大家“歡欣鼓舞”。

關于神威的計算能力，應用課題的參與人員有更多的體會。國家計算流體力學實驗室在該系統(tǒng)上完成的“天宮一號”飛行器兩艙簡化外形隕落飛行大規(guī)模并行計算，在20天內完成了常規(guī)需要12個月的計算任務，計算結果與風洞實驗結果符合較好。中航工業(yè)631所完成的C919大型客機低速大攻角深失速特性的精細數值模擬，計算網絡規(guī)模由千萬網格提升到兩億網格，計算時間縮短到10小時以內，大大減少了風洞試驗次數，降低了設計成本。

支持制造業(yè)轉型

江蘇省是中國制造大省，此次把“神威·太湖之光”落戶在江蘇省的無錫市，楊廣文說，既是要解決國家的重大需求，也是要支持江蘇作為制造大省的產業(yè)轉型。

江蘇的面積只占中國的1%，但卻貢獻了中國10%左右的GDP，其制造業(yè)的轉型升級，對全國都有著重要的參照意義。為此，在此次超算中心的投入中，江蘇省和無錫市各投入6億元人民幣建設資金，并委托清華大學負責后期運營。

“在中國制造2025計劃中，核心的問題是提高設計水平，設計水平提高了，制造水平也會相應提高。”楊廣文說，江蘇省的核心產業(yè)是制造業(yè)，制造前的設計模擬離不開超級計算機，“我們試圖在這方面打造產業(yè)科技創(chuàng)新基地”。

不過，楊廣文也坦言，“這個事情并不輕松”。“現在我們有很多企業(yè)也做設計，但很多是仿造性的或者手工設計，模擬設計軟件也以國外商用軟件為主。我們要做的是大量模擬設計，比如汽車制造，最主要的是安全，碰撞質檢是破壞性的方式，我們可以通過超算做數值模擬，來完成安全設計，在此基礎上來進行碰撞試驗。這樣的損失就會減少很多，同時也會大大縮短研發(fā)周期。”同樣的原理也可以用在飛機制造和性能跟蹤上，“通過超算去分析傳感器得到的數據，可以及時發(fā)現性能上的問題和潛在威脅，大大降低事故概率”。楊廣文希望，要把超級計算機的計算能力用好，建成一個設計、制造、數據分析等在內的完整超算應用產業(yè)鏈，“通過超算和大數據結合，把產品的整個生命周期管理起來”。

現在，楊廣文迫切要解決的，是為“神威·太湖之光”尋找需求較大的持續(xù)的行業(yè)用戶，支持重大的國家項目以及企業(yè)的核心裝備制造，從而帶動研發(fā)出自主的核心并行軟件，把軟件再提供給制造業(yè)。

目前，中國有167臺超級計算機入選全球超級計算機500強榜單，總數量首次超過美國。“我們超算的擁有量是排名第一了，但是從應用水平來看，我們跟發(fā)達國家還是有差距的，這個差距要解決不是一天兩天的事情，要通過長時間的攻關，也需要在有需求的企業(yè)中去普及。”楊廣文說，按照國外的經驗來看，超算的應用人員甚至占到2/3，但中國目前大部分都是學計算機的。作為全國6個超級計算中心之一，國家超級計算無錫中心接下來希望跟應用單位建聯合實驗室，解決應用人才短缺的問題，超算中心提供程序和模型支持等資源，擴大超算的應用范圍。

“中國在科研方面的投入，在某些方面甚至超過了美國，因此，現在很多在國外的研究人員愿意回來，因為有很多他們在國外沒法實現的課題，在國內反而能找到資源實現。”付昊桓說，國家希望科研在未來的經濟發(fā)展中提供更大的助力，這對科研本身就是很大的促進。

“我們能建造那么好的高鐵，但流體的設計、模擬用的大部分軟件都是國外商用軟件。我想研發(fā)自主軟件這些事情總歸要有人去做。基于目前速度最快的一個超算，去做這樣的嘗試，不是很好的契機嗎？”付昊桓的反問，說出了很多中國科研工作者的心聲，這也是他們持續(xù)探索前行的動力。