全球領(lǐng)先的中國超級(jí)計(jì)算機(jī)，能用在哪兒

莫依蓉

中國超級(jí)計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的背后，隱藏著其應(yīng)用軟件平臺(tái)同步發(fā)展的瓶頸：運(yùn)算速度連年高居榜首，市場(chǎng)應(yīng)用依然有較大空間

2016年6月20日，中國最新的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”在新一期的世界計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，運(yùn)算速度超越了“天河二號(hào)”，一舉登上榜首。

“中國超算事業(yè)取得了進(jìn)步，引起了更多人關(guān)注，這是一件值得高興的事。”中國國家超級(jí)計(jì)算廣州中心主任盧宇彤告訴《瞭望東方周刊》，“近年來國產(chǎn)超算系統(tǒng)發(fā)展所帶動(dòng)和催生的國產(chǎn)超算應(yīng)用正在向好的方向發(fā)展。”

“天河二號(hào)”曾連續(xù)6年蟬聯(lián)世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜冠軍；接棒者“神威·太湖之光”更是將運(yùn)算速度提高了兩倍。

然而，中國超級(jí)計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的背后，尚存在超算應(yīng)用軟件平臺(tái)國產(chǎn)化程度偏低的問題：一方面硬件趕超速度驚人，占有量和運(yùn)算速度連年高居榜首；另一方面，超算商用軟件大多為國外壟斷，導(dǎo)致其市場(chǎng)應(yīng)用缺位。

國家名片的“新話柄”

1946年，美國誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度為每秒5000次。

而超級(jí)計(jì)算機(jī)是一個(gè)由數(shù)百甚至數(shù)千的處理器（機(jī)）組成，能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦和服務(wù)器無法處理的大信息、高速運(yùn)算的大型計(jì)算機(jī)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將運(yùn)算速度不斷刷新，美國一度在運(yùn)算速度上擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，多年占據(jù)世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜單的榜首。

而2013年，“天河二號(hào)”用峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次奪冠證明，中國人用30年實(shí)現(xiàn)了大超越，“天河二號(hào)”成為國家名片。

中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度究竟有多快？

“如果把普通計(jì)算機(jī)的速度比喻成人步行，那超級(jí)計(jì)算機(jī)就是火箭速度。”盧宇彤告訴本刊記者，以“天河二號(hào)”為例，13億人用計(jì)算器算1000年才能達(dá)到其1小時(shí)的計(jì)算量。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，超級(jí)計(jì)算機(jī)的高運(yùn)算自然不可避免地帶來高耗能。

讓盧宇彤沒想到的是，這個(gè)全球面臨的共同難題，竟成了外行人士詬病中國超算發(fā)展的“新話柄”。

據(jù)測(cè)算，“天河二號(hào)”峰值年耗電量達(dá)到2億度。目前，廣州超算中心的設(shè)備利用率達(dá)到60%，用戶中83%是政府機(jī)關(guān)、高校、科研院所，企業(yè)用戶只有17%。

在一些人看來，其市場(chǎng)效應(yīng)并不明顯。但盧宇彤認(rèn)為這顯然對(duì)中國超算很不公平，“我們要看超算中心的目標(biāo)與定位，是支持大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、大工程技術(shù)突破，還是進(jìn)入市場(chǎng)化運(yùn)行賺錢？”

“世界各大超算中心均只為科學(xué)研究服務(wù)，但中國超算被賦予了更多的使命，既要支持科學(xué)研究、工程技術(shù)，又要兼顧產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新需求。”她說，廣州超算的用戶中83%是科研機(jī)構(gòu)、高校、政府機(jī)關(guān)，正在積極拓展企業(yè)用戶。

藍(lán)海彤翔集團(tuán)副總裁高鵬東非常理解廣州超算中心的“煩惱”。

早在2011年，還在中國傳媒大學(xué)高性能計(jì)算中心工作的他，就已經(jīng)為“天河一號(hào)”進(jìn)行中間件的技術(shù)開發(fā)和服務(wù)工作，非常熟悉超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“‘天河二號(hào)系統(tǒng)的冷卻充分利用了廣州市的城市供冷循環(huán)系統(tǒng)，采用水風(fēng)冷相結(jié)合的先進(jìn)制冷技術(shù)，避免了其他超算中心專門建設(shè)冷水塔的開銷，更加綠色環(huán)保。”他說。

據(jù)了解，天河二號(hào)的能效比為1.9GFlops/W，與同時(shí)期世界排名前列的美國泰坦、紅杉系統(tǒng)相當(dāng)，是日本“京”計(jì)算機(jī)（0.8GFlops/W）的2倍多，屬于同時(shí)期節(jié)能型的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

有待開發(fā)的巨型市場(chǎng)

在高鵬東眼中，任何詬病都不算問題，因?yàn)閿[在超級(jí)計(jì)算機(jī)面前的是一個(gè)無法估量的巨型市場(chǎng)。

“以《阿凡達(dá)》為例，其162分鐘的片子中運(yùn)用了大量的特效，耗資3.5億美元。”他說，“按24幀每秒的電影畫面計(jì)算，高峰時(shí)段每天要處理10000多個(gè)任務(wù)，每秒鐘288M的成品源文件。卡梅隆甚至在新西蘭裝配了一個(gè)10000平方米的機(jī)房以完成這些渲染工作。”

隨著3D、4K技術(shù)的成熟，國內(nèi)觀眾對(duì)影視、動(dòng)畫的精度要求也大幅提高，普通計(jì)算機(jī)渲染無法滿足要求。

2008年，基于高性能計(jì)算的技術(shù)以及中國傳媒大學(xué)在文創(chuàng)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，高鵬東與合伙人創(chuàng)辦了藍(lán)海彤翔集團(tuán)，為文化創(chuàng)意行業(yè)提供云渲染和在線創(chuàng)作服務(wù)。

“三維動(dòng)畫電影都需要渲染，即使是真人實(shí)拍的院線電影，90分鐘里也會(huì)有將近60分鐘的特效需要渲染。”在高鵬東看來，對(duì)于普通從業(yè)者來說，購買機(jī)器甚至建設(shè)機(jī)房開支巨大。

“影視行業(yè)對(duì)大量的計(jì)算資源和數(shù)字資產(chǎn)存儲(chǔ)資源的需求越來越大，而選擇超級(jí)計(jì)算機(jī)顯然更加劃算，這無疑是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。”他說。

廣州優(yōu)榮資產(chǎn)管理有限公司總經(jīng)理邱瑞昌同樣看好超級(jí)計(jì)算機(jī)未來的市場(chǎng)。

“我們通過收集和挖掘金融大數(shù)據(jù)，開發(fā)了一款智能投資顧問產(chǎn)品，幫助6000多個(gè)客戶篩選出優(yōu)質(zhì)基金。”邱瑞昌告訴本刊記者，“產(chǎn)品每天需要30萬個(gè)相關(guān)新聞頁面、28萬次相關(guān)交易數(shù)據(jù)、兩千頁調(diào)研報(bào)告和4萬條市場(chǎng)情緒信息。”

“4000多只基金，每天刷下來的數(shù)據(jù)就超過1個(gè)多G。”邱瑞昌說，這是一項(xiàng)巨大的工程，而“天河二號(hào)”恰恰為公司提供了高速且穩(wěn)定的運(yùn)算資源。

在盧宇彤看來，高鵬東和邱瑞昌所代表的行業(yè)，只是超級(jí)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的“冰山一角”。

據(jù)了解，“天河二號(hào)”幫助國產(chǎn)C919大型客機(jī)開展了高精度外流場(chǎng)氣動(dòng)計(jì)算，6天完成了其自身計(jì)算平臺(tái)約需2年的工作量。此外，廣汽、廣船、海格等企業(yè)也在“天河二號(hào)”的幫助下進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，大大縮短了研發(fā)時(shí)間，節(jié)約了研發(fā)成本。

“在大氣環(huán)境、海洋水文、天體物理、高精度數(shù)值模擬風(fēng)洞、新能源、新材料、工業(yè)制造、電子設(shè)備、生物醫(yī)藥、精準(zhǔn)醫(yī)療、機(jī)器學(xué)習(xí)、金融等領(lǐng)域，超級(jí)計(jì)算機(jī)都有著廣闊的應(yīng)用空間。”盧宇彤說。

幫企業(yè)省錢提效

對(duì)“天河二號(hào)”來說，市場(chǎng)夠大；但對(duì)企業(yè)來說，是否與之建立合作，取決于成本和效率。

廣東三維家信息科技有限公司總經(jīng)理徐明華告訴《瞭望東方周刊》，作為一家服務(wù)于整體家居軟件信息化業(yè)務(wù)的創(chuàng)業(yè)公司，在其開發(fā)的平臺(tái)上活躍著7萬多名設(shè)計(jì)師，有超過5萬多家家居門店入駐。

“平均每個(gè)門店每天就有8張家居效果圖需要渲染。每張效果圖的數(shù)據(jù)量都按G計(jì)算，我們需要巨大的運(yùn)算資源和存儲(chǔ)資源。”他說。

徐明華首先想到的就是建設(shè)自己的服務(wù)器平臺(tái)。為此，他購買了300多臺(tái)服務(wù)器。

“僅購買服務(wù)器這一項(xiàng)，我們公司就累計(jì)花費(fèi)了2000多萬元。除此之外，服務(wù)器的使用一般是2年，其維護(hù)和更新成本數(shù)倍于購買成本。”他說。

2016年，徐明華用“天河二號(hào)”的服務(wù)替換掉了將近四分之三的服務(wù)器，從而省去了大筆維護(hù)和更新費(fèi)用。

除了效率，他還通過超算幫用戶多賺到了錢。“我們的用戶每天需要渲染大批的家居效果圖，以往需要一個(gè)小時(shí)渲染的效果圖，超算只需要3分鐘就可以搞定。因此設(shè)計(jì)師接單量也提高了3～6倍。”

而對(duì)于廣州市婦女兒童醫(yī)療中心而言，其正在進(jìn)行的基因組測(cè)序項(xiàng)目，正在經(jīng)歷大規(guī)模比對(duì)運(yùn)算階段。

“人體遺傳物質(zhì)這個(gè)生命天書里面有30億個(gè)字母，一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵字母發(fā)生變化就可能會(huì)導(dǎo)致疾病的發(fā)生。我們想找出這些變化，就需要通過測(cè)序的方法。”醫(yī)療中心的博士后劉廣建告訴《瞭望東方周刊》，“一個(gè)人的全基因組的數(shù)據(jù)就超過幾個(gè)G，我們需要先把其打斷成很多小碎片，然后測(cè)出每個(gè)小碎片的序列，最后在拼接比對(duì)過程中找到可能與疾病相關(guān)的地方。”

“這個(gè)拼接過程就需要運(yùn)用大量的計(jì)算，個(gè)人電腦要算上甚至一年。而且在后續(xù)的機(jī)制研究中，還可以利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分子模擬，通過精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)進(jìn)行合理化藥物設(shè)計(jì)。”在劉廣建看來，超算是精準(zhǔn)醫(yī)療的基礎(chǔ)前提，提高了數(shù)據(jù)分析效率，為基因組學(xué)走向臨床應(yīng)用提供保障。

九成商業(yè)應(yīng)用軟件依賴國外

但大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士指出，“市場(chǎng)想要，但超算難給”，這才是目前最“尷尬”的狀況，也是企業(yè)用戶難以充分利用超算資源的問題所在。

高鵬東把這種“尷尬”稱為商業(yè)應(yīng)用軟件的缺失。

“‘天河二號(hào)采用的是Linux運(yùn)行系統(tǒng)，并非所有的應(yīng)用都可以直接在其系統(tǒng)上運(yùn)行，所有基于Windows系統(tǒng)或者串行開發(fā)的應(yīng)用軟件就必須重寫或修改。”他說。

浪潮集團(tuán)高性能產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍曾表示，中國九成以上的商用超算軟件都依賴國外進(jìn)口，“我國雖然擁有性能很強(qiáng)的大型超算系統(tǒng)，卻缺乏相匹配的大規(guī)模并行軟件，很多大型超級(jí)計(jì)算機(jī)不得不拆分成小規(guī)模的集群來跑應(yīng)用，大系統(tǒng)并沒有發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值。”

在高鵬東看來，這與中國科研開發(fā)模式有關(guān)。“國外對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)的開發(fā)，硬件、軟件和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)各占三分之一左右的經(jīng)費(fèi)，而中國的超算中心建設(shè)，硬件往往占據(jù)整個(gè)超算中心建設(shè)成本的85%以上，用于軟件采購和開發(fā)的費(fèi)用少得可憐。”

“其實(shí)，超算中心有很多客戶找上門來，他們有各種各樣的需求。但用戶來自不同的學(xué)科領(lǐng)域，還缺乏超算應(yīng)用的基礎(chǔ)，需要交叉領(lǐng)域的技術(shù)支持能力。”盧宇彤說。

為了解決這個(gè)難題，“天河二號(hào)”設(shè)計(jì)之初就考慮到了未來應(yīng)用的生態(tài)環(huán)境，采用了通用處理器。盧宇彤說，“我們?cè)谙到y(tǒng)上面部署了很多領(lǐng)域的應(yīng)用軟件，打造了專業(yè)的團(tuán)隊(duì)去搭建面向各領(lǐng)域的支撐平臺(tái)應(yīng)用。”

但在一位不愿透露姓名的專家看來，應(yīng)用軟件國產(chǎn)化程度不高造成超算資源閑置本身就是個(gè)偽命題。“雖然很多商業(yè)軟件被國外壟斷，但卻并非無軟件可用。造成超算計(jì)算資源閑置的主要原因是全機(jī)計(jì)算比較少，鮮有一個(gè)大應(yīng)用能夠使用全部資源。”

國策與市場(chǎng)兼得

國家為何耗巨資在超級(jí)計(jì)算機(jī)上？

中科院計(jì)算所研究員、中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、高性能計(jì)算專委會(huì)秘書長張?jiān)迫硎荆?jí)計(jì)算機(jī)是國家科技水平與綜合國力的標(biāo)志之一，其研發(fā)與應(yīng)用能力的投入不宜純粹商業(yè)化。

“國家級(jí)超算中心作為國家的戰(zhàn)略資源，作為國家的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該由國家每年撥付運(yùn)維費(fèi)用，而不是以市場(chǎng)為主來獲取經(jīng)費(fèi)。就像我國在大飛機(jī)、航天、高鐵等領(lǐng)域的長期堅(jiān)持不懈的投入，才取得今天的成就，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。”張?jiān)迫f。

而在盧宇彤看來，中國的國情給超算中心賦予了更多的意義和任務(wù)。

“除了國家科技部投資外，廣東省地方政府也有投資，所以除了支持超算傳統(tǒng)的科學(xué)工程應(yīng)用以外，還應(yīng)該支持廣東省和區(qū)域的科技創(chuàng)新和新型產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。”她說。

實(shí)際上，自“天河二號(hào)”落戶以來，超過百萬核的大規(guī)模領(lǐng)域應(yīng)用有12個(gè)，萬核以上的應(yīng)用100多個(gè)，先后為國內(nèi)外1500多家用戶提供了高性能計(jì)算和云計(jì)算服務(wù)。

“不能因?yàn)槿魏卧蚍穸ㄏ瘛旌佣?hào)這樣的國產(chǎn)超算系統(tǒng)所帶來的巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。”盧宇彤強(qiáng)調(diào)說，“破解超算應(yīng)用瓶頸，需建立開放、合作、創(chuàng)新的中國超算可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境。”

在她看來，超算中心應(yīng)該做超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)與多領(lǐng)域科研、行業(yè)應(yīng)用之間的橋梁，“加快超算應(yīng)用所需的交叉學(xué)科人才培養(yǎng)，加大高性能計(jì)算應(yīng)用軟件和支撐平臺(tái)的開發(fā)投入，促進(jìn)國產(chǎn)超算應(yīng)用軟件的商業(yè)化發(fā)展。”