楊廣文：用超級計算機為科研提供助力

文|本刊記者 盧茹彩

楊廣文：用超級計算機為科研提供助力

文|本刊記者 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，跟美國和日本等發達國家比較，我們的研制水平已經進入世界領先行列。”

楊廣文在介紹“神威·太湖之光”應用課題概況

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。

國家戰略

“神威·太湖之光”在6月份發布之前，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”與超級計算結下不解之緣，要從2002年進入國家“863計劃”（“高技術研究發展計劃”，旨在提高中國自主創新能力、以前沿技術研究發展為重點，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等，都是我們國家自主研發的技術。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布的中方負責人，付昊桓說：“神威的整個系統由4萬塊芯片構成，每個芯片有260個核，整個系統超過1000萬個核，本身在一個系統工作就是一個創舉，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，對他們來說是一個很大的沖擊”。

“超級計算機作為國家的戰略高技術，不管是否賺錢，是作為國家戰略來做的。”楊廣文說，自“863計劃”啟動以來，國家這么多年持續支持高性能計算機的研發，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，因不能在原系統上擴展，不得不改變了原有的研發路線。而跟“天河二號”同期規劃立項的“神威·太湖之光”一開始就設計走自主研發的路子。“我們建設創新型國家，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總裁羅文在向楊廣文頒發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表。因此他認為，國防安全、航空航天、天氣氣候、工業制造、新藥創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。

2016年6月21日，德國法蘭克福，付昊桓副主任（右二）、楊晉喆工程師從勞倫斯伯克利國家實驗室副主任霍斯特·西蒙手中接過世界超級計算機500強第一名的證書

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原型研制開始，就一直堅持機器測試與應用開發同步進行。因此系統從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、海洋環境、生物醫藥、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上完成的“天宮一號”飛行器兩艙簡化外形隕落飛行大規模并行計算，在20天內完成了常規需要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。

2016年6月21日，德國法蘭克福，付昊桓副主任在ISC國際高性能計算大會上做特邀報告，介紹“神威·太湖之光”超級計算機系統以及最新科研成果

支持制造業轉型

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，江蘇省的核心產業是制造業，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科技創新基地”。

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的行業用戶，支持重大的國家項目以及企業的核心裝備制造，從而帶動研發出自主的核心并行軟件，把軟件再提供給制造業。

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，這也是他們持續探索前行的動力。