從銀河到天河，湖南領跑世界超算

黨史上的湖南之最

“銀河-I”：中國第一臺億次巨型計算機在湖南誕生

1983年底，我國第一臺命名為“銀河-I”的億次巨型計算機通過國家技術鑒定。它的研制成功，向全世界宣告：中國成為繼美、日之后，第三個能獨立設計和制造巨型機的國家。

每1秒鐘，識別火車上2800多個零部件，并能判斷出是否有裂縫等故障;

每12分鐘，準確預報每平方千米內6小時的天氣情況，哪怕只隔著一座橋，也能算出“東邊日出西邊雨”;

每3個小時，完成500人規模的全基因組信息關聯性分析，而以前用傳統計算機需要耗費1年時間;

每6天，利用超級計算機模擬仿真研制一架大飛機，而過去做全機風洞試驗需耗費兩年時間……

在“銀河”“天河”超算之鄉湖南長沙，超級計算機應用的“速度”“精度”和“深度”，幾乎每隔一段時間，就會刷新紀錄。

伴隨著信息技術的快速演進及廣泛應用，“計算力就是生產力”早已成為全球發展共識。作為計算力的載體，計算機“無所不在、無時不在、無所不及”，逐步成為新型基礎設施，為全球科技和經濟發展提供強大推動力。

從“銀河”實現我國巨型機零的突破，到“天河”超級計算機多次登上世界超算之巔;從每秒1億次，到10億次，再到現在的百億億次，科研人員充分發揚“銀河精神”，實現了高性能計算從“跟跑”到“領跑”的歷史跨越，在中國科技發展史上書寫了一個又一個的輝煌。

“銀河”誕生：

中國巨型機研制實現零的突破

今天的輝煌，源于昨天的屈辱。

20世紀70年代，高性能計算成為推動科技創新和經濟社會發展的戰略高技術。然而，由于沒有自己的巨型計算機，我國在經濟社會發展中常常受制于人。勘探出來的礦藏、石油數據資料，得送到國外去處理，不但花費昂貴，而且數據首先要被外國專家掌握。

“中國要搞四個現代化，不能沒有巨型機。”1978年，在中央召開的一次重要會議上，鄧小平同志將研制億次巨型計算機的任務鄭重交給國防科技大學。

時任該校計算機研究所所長的慈云桂教授聽到這個消息，當即向上級立下軍令狀：每秒1億次一次不少，6年時間一天不拖，預算經費一分不超。“就算是豁出這條老命，也要把中國的巨型機搞出來！”

研制巨型計算機，談何容易？改革開放之初，我國技術力量落后。國防科技大學雖是國內最早研制計算機的單位之一，但此前研制的“151”計算機運算速度只有每秒100萬次，如今要研制每秒運算1億次的巨型機，意味著運算速度要提高100倍，技術難度可想而知。

國防科技大學教授李思昆回憶道：“比如做計算機硬件的電路設計，當時純靠一個一個地在紙上畫出來，畫錯了又得重新再來。一個小規模的集成電路設計，光畫圖就得半個月。”

“困難沒有嚇倒我們！”國防科技大學教授胡守仁回憶說，大家只有一個信念，無論如何也要造出中國自己的巨型機，不讓外國人再卡我們的脖子，所以大家把它叫“爭氣機”。

經過5年沒日沒夜的頑強拼搏，科研人員闖過了一個個理論、技術和工藝難關，創造性地提出了“雙向量陣列”結構，大大提高了機器的運算速度，提前1年完成研制任務，且經費只用了原計劃的1/5。

1983年底，我國首臺每秒運算1億次的巨型計算機順利通過國家技術鑒定，標志著中國在巨型機研制領域實現了零的突破，成為當時繼美、日之后，能獨立設計和制造巨型機的國家。

時任國家科工委主任張愛萍為巨型機揮筆命名為“銀河”，并題詩一首：“億萬星辰匯銀河，世人難知有幾多。神機妙算巧安排，笑向繁星任高歌。”

此后，科研人員繼續憑借自主創新，相繼研制出“銀河-Ⅱ”“銀河-III”等一系列巨型機，一步步將我國高性能計算機研制技術推向國際前沿，經濟社會發展中一系列迫在眉睫的問題也逐漸解決。

1997年6月，當運算速度為每秒130億次的“銀河-III”研制成功后，國家氣象局以此來做中長期數值預報系統，對天氣的預報由以前提前兩三天推進到提前7天左右。

“天河”超算：

登上世界之巔的“中國速度”

當今世界，高性能計算已成為理論與試驗之外的第三種科學研究手段。隨著我國現代化快速發展，解決經濟、科技、國防等領域面臨的一系列大型復雜“挑戰性”問題，必須要有速度更快、容量更大的超級計算機。

像當年的慈云桂們一樣，“銀河人”再次站在了高性能計算攻關的排頭，吹響了向千萬億次級超級計算機進軍的沖鋒號，向著計算機領域的“珠峰”攀登。

世界超級計算機的發展表明，計算能力每提高一個量級，都需要體系結構的創新和一系列關鍵技術的新突破。彼時，國防科技大學雖然具有較為雄厚的技術積累和豐富的工程實踐經驗，但要實現從百萬億次到千萬億次的技術跨越，同樣困難重重。

“天河”超級計算機之所以擁有全球最快的運算性能，其奧秘就在于它首創的“CPU+GPU異構體系結構”。然而，這一全新的異構體系在創建過程中，遇到了一系列重大技術瓶頸。

“天河”超級計算機副總設計師楊燦群教授回憶說，GPU的特點是進行圖形和視頻處理，要將它和擅長運算的CPU組合在一起進行計算，不僅編程很難，計算效率也很低，國際上公認的計算效率最高只有20%。

創新的關鍵，就在于怎樣把“不可能”變為“可能”，在沒有路的地方走出一條路。經過4個月的封閉攻關，科研團隊歷經數萬次實驗，終于發現了CPU和GPU高效協同計算的內在規律，找到了性能優化突破口，使計算效率由20%提高到70%，創造了一個世界奇跡。

超級計算機系統要實現每秒運算千萬億次，還必須有一個快捷通暢的網絡系統，讓各種信息“跑得快”。科研人員為此設計了一種新型交換機的方案，但美國的芯片制造商不肯支持，要求按照美國人的方案設計。國防科技大學的研究團隊不信邪，堅持走自己的設計路線，從頭探索，努力攻關。僅用10個月時間，一款新型交換機研制完成，實測技術指標大大超過同類系統，而成本僅是同類同規模產品的80%。

隨著一系列關鍵技術的突破，2009年10月29日，我國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”研制成功，實現了我國自主研制超級計算機能力從百萬億次到千萬億次的跨越，成為繼美國之后世界上第二個能研制千萬億次超級計算機系統的國家。一年后，“天河一號”以優異的運算速度在世界超算500強排名中位居第一。

然而，僅僅過了不到8個月，“天河一號”就被擠下冠軍臺，兩年之后排名滑落至第八名。但憑著雄厚的技術積累和預先研究取得的成果，科研人員奮勇拼搏、勇攀高峰，2013年5月，峰值速度達5.49億億次的“天河二號”驚艷亮相，并先后6次站在世界超算500強榜首，讓古老的“算盤王國”一次次矗立在世界超算之巔。

E級計算機：

向新一代百億億次超算進軍

在幾十年的持續攻關中，我國具備了自主芯片、互連通信系統和自主操作系統等核心產品的研制能力和產業化應用能力，并催生了以超級計算為龍頭，高性能微處理器與微電子、網絡與通信、自主基礎軟件和信息安全等優勢方向共同發展的創新體系。

百舸爭流，不進則退。新一代百億億次超級計算機，成為中國超算尋求突破的新目標。

2018年7月，我國自主研發的“天河三號”E級原型機完成研制部署，并順利通過驗收，向著新一代百億億次超級計算機吹響了沖鋒的號角。

相比上一代超級計算機，“天河三號”是一個劃時代的作品，自主創新的“金字招牌”擦得更亮。

芯片應用備受關注。在“天河三號”E級原型機系統項目實施中，科研團隊自主設計了三款芯片：“邁創”眾核處理器（Matrix-2000+）、高速互連控制器、互連接口控制器;自主設計了四類計算、存儲和服務結點，十余種印制電路板。核心關鍵技術上實現整體自主可控。

真金不怕火煉。原型機誕生后的一個多月里，力學所、物理所、大氣所、計算所等中科院院所，以及中國空氣動力研究與發展中心、清華大學、西安交大等30余家單位輪番上陣，開展應用測試。結果表明，僅6個機柜就達到了與“天河一號”120個機柜相當的計算能力。

有專家指出，這為下一步支撐國家重大科技創新和產業創新，以及構建全方位應用生態體系打下了堅實基礎。科研人員對“天河三號”的前景信心十足：預計在2021年左右研制成功，屆時，運算能力將比“天河一號”提高200倍以上，實現跨越式提升。

“百億億次超級計算機是全球最前沿挑戰之一。”楊燦群說，在掌握核心技術全面自主可控的同時，更要加大高性能計算生態體系建設，實現芯片、軟件、應用的多點開花。

“銀河精神”：

鑄就中國超算輝煌的“根”和“魂”

從“銀河”到“天河”，變化的是超級計算機越來越快的速度、越來越高的性能，不變的是科研人員代代傳承的“銀河精神”。在他們心中，“銀河精神”是他們堅守的精神高地，更是他們的“根”和“魂”。一代代“銀河人”正是用“胸懷祖國、團結協作、志在高峰、奮勇拼搏”的“銀河精神”，書寫出了讓世界驚嘆的“中國速度”。

創造奇跡的奧秘何在？國防科技大學計算機學院政委劉學民說：“把五星紅旗插上世界超算之巔，是‘銀河人始終追逐的中國超算夢。”

不為人知的是，為了創造“中國速度”，科研團隊犧牲了假日的悠閑，舍棄了家庭的溫馨，推遲了婚期，耽誤了治病，放棄了出國深造，許多人把青春甚至生命無怨無悔地獻給了祖國的超級計算機研制事業。

“天河一號”有一位副總設計師，患有糖尿病等多種疾病。在“天河一號”二期系統安裝調試期間，他在機房里整整堅守了半年時間。生活、飲食不規律導致他的病情不斷加重，但他堅持不離開崗位。直至從美國傳來“天河一號”首次登上世界超算排名榜首的消息，他才走出機房，住進醫院。

為設計出高水平的計算機運算控制系統，青年講師俞午龍連續5天5夜沒合眼。第6天深夜，從夢中醒來的妻子發現他還在著魔似的伏案工作，一把搶過書桌上的圖紙說：“你再這樣拼下去，我就把這些圖紙剪碎了！”第2天一早，俞午龍又出差去了黃山。誰也沒想到，他病倒在黃山腳下，再也沒能回來。

還有43歲的蹇賢福、40歲的張樹生、41歲的王育民……在國防科技大學，僅為“銀河”系列巨型機事業而獻出年輕生命的科研人員就有20多人。他們以事業丈量生命，化作一塊塊基石，托舉起中國科技騰飛的夢想。

艱難困苦，玉汝于成！

通信光纖鋪設是“天河一號”二期系統進駐國家超算天津中心的首期工程，時間緊迫、任務艱巨。時值盛夏，由于溝槽溫度超過40℃，水泥表層太粗糙，剛鋪下的光纖的絕緣膠皮被磨出了道道裂痕，個別地方還露出線芯。這個問題不解決，輕則信號中斷、通信短路，重則導致系統紊亂。

面對這種境況，指揮員把衣褲一脫，跳進悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上。大家紛紛效仿，很快鋪就了一條“人肉地毯”，一根根光纖順著官兵的身軀通暢地向前延伸。

“正是這種在披荊斬棘、攻堅克難中形成的‘銀河精神，書寫出了中國特色自主創新之路的輝煌。”國防科技大學教授胡慶豐欣慰地說。

如今，“銀河精神”與井岡山精神、“兩彈一星”精神、載人航天精神等一起成為中國人民解放軍寶貴的精神財富，成為“銀河團隊”一代又一代的傳家寶。 （本刊綜合）■