天河一号 [天河一号:中国速度]
时间：2020-02-18 07:30:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
在世界超级计算机权威组织TOP500今年发布的榜单上，中国的首台千万亿次超级计算机“天河一号”打破了美国长期保持的世界第一的纪录，成为超级计算机新的世界之冠。“天河一号”研发团队赢得的并非只是一场“看谁更快”的竞赛，而是一场为荣誉为国家的理想主义之战。
由国防科技大学的年轻科技工作者组成“天河一号”研发团队，平均年龄只有30岁。他们出于对“银河”（我国第一台亿次巨型计算机）的热爱而聚到一起，坚持走自主创新之路，努力突破核心元器件技术瓶颈，冲到了该领域的世界之巅。
“这是一项伟大的事业，参与者都有莫大的自豪感，这是多少金钱也买不来的。”
皮肤白净、身材高挑的卢宇彤，在以男性居多的“天河一号”研发团队里，可算是“万绿丛中一点红”。当记者问她身为一名女性，当初为何要来军校这么枯燥单调的地方时，她不假思索地说：“因为我从小就从书上知道，这里是银河―Ⅰ诞生的地方，我向往这里啊！”
随着“天河一号”再次载入史册，卢宇彤完美地实现了自己的“银河梦”。
2010年11月17日，世界超级计算机权威组织TOP500发布了最新一届世界超级计算机500强榜单。由中国国防科技大学研发的千万亿次级超级计算机“天河一号”荣膺第一。
从国防科大的北门进去，一眼就能望见按照“天河一号”的样子新建起来的计算机学院科研楼。由于整台机器现已安装在天津的超算中心，一楼近千平方米的机房如今已是“机去楼空”。倒是在旧楼实验室里，记者看到了一台正运行着的小型超级计算机，深银灰色的机组群上闪烁着蓝色的指示灯，就像夜空中的繁星。身为团队主任设计师的卢宇彤告诉记者，这里，就是“天河一号”开始的地方。
成功“翻墙”的混搭结构
2007年夏，天河研发团队总设计师、国防科大副校长杨学军教授在国际计算机体系结构年会上发表了论文《64位流处理器体系结构研究》，引起轰动。其原因，不仅仅由于这是近十几年来中国内地学者首次独立在这一顶尖水平会议上发表成果。
普通个人电脑的结构，就是主机+显示屏，而主机的心脏是CPU。据“天河一号”工程办公室主任李楠介绍，从上世纪90年代开始，超级计算机的主流技术路线是大规模并行，简单地说，就是把几十、几百、上千个CPU联结在一起。但到了2000年，当超级计算机的速度达到了万亿次并向更高的水平发展时，人们发现，CPU数量增加到一定程度时，并不能带来运算速度的提高，却遇到了一系列的瓶颈无法解决。
科研人员将这些问题形象地称之为“墙”。比如，有“内存墙”，CPU多了但内存带宽有限，这会影响CPU读取数据的速度，就像一条4车道的高速公路上挤满了车，跑不快。有“功耗墙”，超级计算机规模越来越大，用电量也随之增大。一台千万亿次的超级计算机的用电量就将相当于一个中等城市的用电量。曾有专家说：“如果不解决功耗问题，今后超级计算机只能与核电站建在一起。”还有“造价墙”，国外建造一台超级计算机往往要斥资上十亿美元，投入巨大。
为翻过这些“墙”，国际上有人提出“异构”的概念，将CPU与某种加速器结合起来以提高效率。但至于用什么类型的加速器，二者如何融合，大家都在研究。
杨学军的论文，正是从理论上确定了CPU+GPU这种异构结构的可行性，意义非凡。于是，国防科大决定根据这个思路来研发千万亿次超级计算机。
科研人员从国外买回性能最好的GPU，将其与CPU连在一起，却发现运算效率只有20%。“当时我们看到这个结果，心里都凉了半截，但经过分析发现，从技术原理上来说，这个结构是应该能达到更高效率的。”李楠说，
“原因很简单，就好像我俩跑步速度不一样，我要等你赶上来了才能一起执行下一个任务，效率肯定低了。”天河研发团队副总设计师胡庆丰解释说。实际上，GPU适合处理结构比较规整的批量数据，而CPU擅长复杂的逻辑运算，如果能合理分配任务，让二者分别干自己适合的事情，这样就能大幅提高效率。
“但这就不只是硬件的问题了，而是要从底层软件的层面让二者更好地融合。”胡庆丰说。
为了突破这个难关，他们拉着核心团队去长沙郊区一个叫母山基地的地方去“闭关”。那个地方手机信号差，不通公交车，人呆在那儿更容易沉下心来思考问题。
长达半年的“闭关”取得了突破性进展――在实验室条件下，CPU+GPU的性能最高达到了70%，之前的那些“墙”都被一一成功翻越。
目前整个“天河一号”二期系统，共使用了16384个CPU，7168个GPU。GPU结构简单，功耗低，价格也比CPU便宜很多。
美国斯坦福大学计算机系主任比尔・戴利教授就曾表示：“中国的天河计算机采取的CPU+GPU的结构，代表了未来高性能计算机的发展趋势。随着计算机规模的不断拓展，这种结构虽然不是唯一的解决方法，但目前看来是最好的。”
“这是一项伟大的事业”
杨学军还清楚地记得他在1988年曾经历的一幕：中国气象局有一间专门的屋子，里面放着从国外租来的超级计算机。因为美国人不愿意把这种计算机卖给中国，中国气象局只能租用。计算机拉到中国后，放置它的屋子有24小时监控，中国人不能进，连操作的技术人员都是外国人。
“过去我们经常遇到这种情况，大家心里都有种被刺痛的感觉。所以，我们一定要有自己的超级计算机。”他说。
超级计算机的发展规律是每十年性能提高1000倍。2000年的国际先进水平是万亿次，那么到2010年左右将会达到千万亿次。因此在2005年，当国产超级计算机才刚刚突破十万亿次之时，杨学军感到，如果要占领制高点，就要尽快攻克千万亿次超级计算机系统。
“我们在‘天河一号’的研制过程中，坚持走自主创新之路，努力突破核心元器件技术瓶颈，极大增强了自主创新能力”，团队副总设计师、计算机学院院长廖湘科教授说。
整个天河研发团队非常年轻，平均年龄只有30岁，总设计师杨学军也才46岁。“因为大家都是年轻人，每次开会讨论问题，大家都争得脸红脖子粗，就像吵架一样，没有老师学生的区别，没有上下级的区别。这样轻松开放的氛围，才利于我们尽快找出问题的症结所在，才能出新。”卢宇彤告诉记者。
团队里，有很多人都像卢宇彤一样，出于对“银河”的向往而来到这里。“‘胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏’，正因为我们有这样的‘银河精神’，才能有今天的成绩。”国防科大计算机学院政委刘学民表示。
据说，曾有外国公司以年薪30万美元的高薪来挖团队里的骨干，却空手而归。
“天河一号”除了在结构上有突破，还拥有多项创新，如自主设计的高阶路由芯片和高速网络接口芯片。此外，值得一提的是，“天河一号”的CPU芯片中，有一部分为国防科大自主研发的飞腾―1000。
“目前之所以没有全部使用国产CPU，一个重要原因是考虑到用户使用的很多第三方软件都在基于国外芯片环境开发的，在飞腾上无法运行。”李楠解释说。
TOP500自1993年发布以来，就成了超级计算机的“奥运会”。而美国长期在此占据第一名的位置，并在榜单中拥有最多席位，只在2002年，被日本研发的“地球模拟器”首次超越。两年半后，美国重返榜首。此次“天河一号”的后来居上，再次打破了美国已连续保持6年第一的纪录，在国外同行中引起震动。
然而，超级计算机究竟有什么用？是不是像有些人想象的那样，各国争相研发超级计算机只是一场单纯的“看谁更快”的竞赛？
对此，李楠表示，超级计算机可以帮助众多领域的科学家更好地理解自然世界、发现科学规律，从而推动科技进步，涉及的领域包括生物医学、气候预测、地球物理勘测和材料科学等。尤其在国防领域，目前美国已基本停止了核武器试验，而改在超级计算机上进行模拟试验。因此，超级计算机对于国防来说，具有重大意义。
卢宇彤告诉记者，“天河一号”在天津超算中心投入使用后，已经有几十家用户排队预约。中石油有项运算任务，在以前的超级计算机上，需要3个月才能算完，在“天河一号”上只跑了不到一个星期就完成了。
不过，即使是目前“天河一号”的运算速度，也不能完全满足目前的科研需要，胡庆丰说，“估计当计算速度达到百亿亿次时，才能满足需求。但到了那时，也许科学上又会出现新的更复杂的问题，对超级计算速度提出更高要求。不过我们也树立了新的目标，要向亿亿次发起冲击。”★
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